被动模式锁定

被动模式锁定

定义: 一种基于可饱和吸收器的激光谐振器锁模技术.

关于锁模的文章已经讨论了通过锁模产生超短脉冲的一般情况. 本文重点介绍无源模式锁定，这可以通过在激光谐振器中放置具有特定特性的可饱和吸收器来实现（参见图1）. 但是，如果吸收器的性能不合适，则可能导致某些激光器的被动Q切换，Q锁模或嘈杂的工作模式. 在下文中，考虑激光器的稳态，其中短脉冲已经在激光谐振器中循环. 为简单起见，假设有一个循环脉冲（即基本模式锁定而不是谐波模式锁定）和一个快速吸收器（详细信息请参见下文）. 每次脉冲击中可饱和吸收体时，脉冲都会使吸收体饱和，从而暂时降低了损耗（见图2）. 在稳定状态下，激光增益可以饱和到足以补偿循环脉冲所产生的损耗的水平，而在其他状态（不饱和状态）下，任何具有较低光强度的光入射到吸收体上都会比增益高. 损耗，因为吸收器无法被该光饱和. 因此，吸收体可以抑制除连续背景光以外的任何（较弱）脉冲. 此外，吸收器还连续衰减循环脉冲的前沿；如果吸收器能够快速恢复（请参阅下文），则吸收器也会衰减后缘. 因此，吸收器有助于减少脉冲持续时间. 在稳定状态下，此效果将平衡其他延长脉冲持续时间的效果（例如色散）.

与有源锁模相比，无源锁模技术可以产生更短的脉冲，这主要是因为由已经非常短的脉冲驱动的可饱和吸收器比任何电子调制器都能更快地调制谐振腔. 损耗: 循环脉冲越短，获得的损耗调制越快. 至少对于脉冲的上升沿而言，这不是正确的，因为吸收器对上升沿的影响最小，吸收器的恢复可能需要更长的时间.

在许多（但不是全部）情况下，可饱和吸收器也可以启动锁模过程. 如果在打开激光后自动开始脉冲生成过程，这称为自启动模式锁定. 通常，激光首先会开始以或多或少的连续模式运行，但是激光功率会有明显的波动（→激光噪声）. 在每个谐振腔的往返行程中，可饱和吸收器会偏向强度稍高的光，因为高功率光比低功率光更容易达到吸收饱和. 经过多次往返后，将保留一个脉冲（“赢者通吃”原则）. 但是，自启动并非始终可行. 通常，慢速吸收器比快速吸收器更适合自启动模具夹紧. 例如，克尔（Kerr）透镜锁模激光器通常不是自启动的. 它们在开启后以连续波模式工作，只有当用户点击谐振腔镜时才开始锁定模式. 例如，可以通过共振腔的寄生反射，模式牵引效应（可能与增益介质中的空间空穴燃烧有关）或通过色散来抑制自启动.

图1使用可饱和吸收镜（例如SESAM）的无源锁模激光器的示意性.

图2光功率的时间演变和具有快速饱和吸收器的无源锁模激光器的损耗. 脉冲越短，损耗调制越快. 随着增益饱和度的降低，增益保持大致恒定.

图3带有缓慢饱和吸收器的无源锁模激光器的光功率和损耗的时间演化. 饱和的吸收体会引起脉冲前沿的快速损耗调制，而吸收体的恢复则需要更长的时间.

图4各种参数与被动锁模激光器效应之间关系的. 红色箭头表示正向关系（更多的X将导致更多的Y），蓝色箭头表示负向的关系. 为了获得良好的激光器设计，尤其是在极限参数区域中的操作，需要全面了解所有这些关系.

如果吸收器的恢复时间远小于脉冲持续时间，则将该吸收器称为快速吸收器. 在这种情况下，损耗调制基本上遵循光功率的变化. 但是，恢复时间大于脉冲持续时间的慢模式吸收器也可以用于实现模式锁定（参见图3）.

事实证明，例如，在具有慢吸收器的锁模固态激光器中，当吸收器仍处于饱和状态时，脉冲后的净增益范围较短. 人们通常认为这种情况是不稳定的，因为脉冲后的任何噪声都应显示其能量呈指数级增长，最终使脉冲不稳定. 但是，实验观察和数值模拟均显示，即使吸收体恢复时间比脉冲持续时间大一个数量级，该脉冲也是稳定的. 在孤子锁模的情况下，这个神秘的问题首次得到解决[13]，后来在没有色散和非线性效应的简单情况下[16]得到了解决. 在后一种情况下，脉冲的稳定性归因于一种微妙的机制: 在脉冲前沿处较强的吸收会持续延迟脉冲（即，移动最大位置）而不会延迟背景噪声，从而使背景噪声（背景噪声）变大）的指数增长时间有限.

可饱和吸收器是被动模式锁定的关键腔部分. 用于被动锁模的最重要的吸收器类型是半导体可饱和吸收器镜，称为SESAM. 它是一种紧凑的半导体器件，其参数可以在很宽的范围内调节，因此SESAM可以适当地设计为锁定多种类型的激光器（尤其是固态激光器，包括多种类型的半导体激光器）的模式. （另请参见有关锁模激光器的文章. ）用于锁模的其他可饱和吸收剂基于量子点，例如，悬浮在镜面上的硫化铅（PbS）. 掺杂绝缘子的饱和吸收体通常用于无源Q开关（例如Cr: YAG），通常会非常缓慢地恢复以进行锁模. 还有各种人造饱和吸收器，例如基于非线性相移（→Kerr透镜模式锁定自锁模原理，加性脉冲模式锁定，非线性偏振旋转）或强度相关的频率转换（非线性镜模式锁定[9]）. ）.

在脉冲持续时间（皮秒）内，色散通常仅具有较弱的作用. 取决于诸如激光晶体的长度和材料，该位置的模态面积，脉冲能量和持续时间等因素，非线性特性（尤其是Kerr效应）可能很明显. 为了产生飞秒脉冲，通常需要色散补偿，例如使用锁模激光器中所述的棱镜对或色散镜. 在许多情况下，激光在异常色散区域中运行，在该区域中，循环脉冲可能是准孤子. 这称为孤子锁模. 在具有超宽带脉冲频谱的几个周期性脉冲持续时间范围内，需要精确补偿高阶色散.

非线性效应，尤其是Kerr非线性效应在飞秒激光器中也非常重要. 非线性相移过多可能会使脉冲不稳定或限制可达到的脉冲持续时间. 另一方面，它们可以在孤子模式锁定中发挥有用的作用. 在光纤激光器中，光纤的非线性通常要强于所需的非线性，因此光纤的非线性特性通常会限制可实现的脉冲持续时间和/或脉冲能量.

在锁模激光器的稳态下自锁模原理，脉冲参数基本恒定，或者在每个腔往复运动之后至少恒定. 这意味着必须平衡对脉冲的所有影响. 这种平衡的细节，即各种效应的重要性，甚至整个脉冲形成的原理，都可能在很大程度上取决于激光的类型和脉冲持续时间，而不仅取决于可饱和吸收体的类型. 下面讨论了一些示例:

对脉冲形成和整形过程的全面理解对于良好的激光器设计至关重要，并且可以通过设计获得最佳性能. 为了详细研究锁模激光器的脉冲整形，数值脉冲传播建模非常有用.

根据锁模激光器的具体类型，可以通过各种因素确定可达到的最短脉冲持续时间:

由被动锁模激光器直接产生的最短脉冲的持续时间约为5.5 fs（请参阅有关超快激光器的文章）. 外部脉冲压缩可以进一步显着减少脉冲持续时间.

在某些情况下，可能会发生Q开关不稳定的情况，因为可饱和吸收体通常将空腔中脉冲能量的任何增加“返回”到其稳态值以上，并且损耗减小，从而导致净增益变为正值，即脉冲能量进一步增加. 如果增益饱和不足以抵消吸收器的不稳定影响，情况将变得不稳定. 通常，可以通过使用特殊设计来抑制Q开关不稳定性（或Q锁定），但是在某些参数范围内-对于高脉冲重复率，尤其是与短脉冲或高输出功率组合使用时，Q不稳定性具有挑战性.

还有一系列其他类型的不稳定性，例如，过度的非线性特性，不适当的吸收饱和，吸收体恢复太慢，高阶色散，寄生反射或增益不均匀. 这些不稳定因素中的哪个在起作用并不总是很明显，但是所需的措施通常很大程度上取决于哪个不稳定因素在起作用.

锁模激光器，特别是在极限参数范围内工作的锁模激光器的最佳设计必须基于对这些激光器中各种参数与各种效应之间关系的透彻理解. 图4以非常简化的形式显示了无源锁模激光器的这些关系. 例如，可饱和吸收器（SESAM）的高调制深度ΔR通常会导致脉冲更短，但也会导致Q开关不稳定或上升趋势上的Q锁定，这也会导致功率效率降低. 调Q不稳定性以多种方式与SESAM损坏相关，并且可以多种方式得到抑制. 对所有这些关系的透彻了解通常可以将问题“切换”到更易于解决的位置. 例如，SESAM损坏的问题（最初有时在相当中等的输出功率下出现）基本上不是通过开发具有更高损坏阈值的SESAM来解决的，而是通过优化整个激光器的设计来解决的. 这样可产生非常高的输出功率[19]，而不会使SESAM承受太大的压力.

参考

[1] HW Mocker和RJ Collins，“调Q激光器中的模式竞争和自锁效应”，应用. 物理来吧7，270（1965）（被动模式锁定的首次演示，与Q开关→Q开关模式锁定一起获得）

[2] A. J. DeMaria，D. A. Stetser和H. Heynau，“具有饱和吸收体的激光器的自锁模”，应用. 物理来吧8，174（1966）

[3] EP Ippen，CV Shank和A. Dienes，“连续染料激光器的被动模式锁定”，应用物理来吧21，348（1972）（第一次使用饱和吸收器进行连续波模式锁定）

[4] H. A. Haus，“快速饱和吸收器的锁模理论”，J. Appl. Chem. 物理46（7），3049（1975）

[5] H. Haus，“ CW无源模式锁定的参数范围”，IEEE J.量子电子. 12（3），169（1976）

[6] K. Sala等人，“使用光学Kerr效应调制器对激光器进行被动模型对接”，IEEE J.量子电子. 13（11），915（1977）

[7] E. P. Ippen等人，“通过二极管激光器的无源ockockock产生皮秒脉冲”，附录1. 物理来吧37，267（1980）

[8] O. E.Martínez和R. L. Fork，“无源锁模激光器的理论，包括自相位调制和群速度色散”，选项1. 来吧9（5），156（1984）

[9] K. A. Stankov，“一面反射镜，其强度与反射系数有关”，附录1. 物理B 45，191（1988）

[10] H. A. Haus等人，“加性脉冲模式锁定的结构”，J. Opt. Soc. 上午. B 8（10），2068（1991）

[11] F. Krausz和T. Brabec，“驻波激光谐振器中的被动模式锁定”，选项. 来吧18（11），888（1993）

[12] E. P. Ippen，“被动模式锁定原理”，应用. 物理B 58，159（1994）

[13] F. X.Kärtner等人，“使用缓慢的可饱和吸收器稳定类孤子脉冲”，第Opt. 来吧20（1），16（1995）

[14] S. Tsuda等人，“具有可饱和布拉格反射器的锁模超快固态激光器”，IEEE J. Sel. Chem. ，2007. 最佳. 量子电子. 2（3），454（1996）

[15] C.Hönninger等人，“ CW被动模式锁定的Q开关稳定性极限”，J. 选项. Soc. 上午. B 16（1），46（1999）

[16] R. Paschotta等人，“使用慢速可饱和吸收器的被动模式锁定”，应用物理B 73（7），653（2001）

[17] R. Paschotta等人，“薄盘激光器的被动模式锁定: 空间空穴燃烧的影响”，应用物理B 72（3），267（2001）

[18] R. Paschotta等人，“无源锁模表面发射半导体激光器中的类孤子脉冲整形机制”，附录1. 物理B 75，445（2002）

[19] E. Innerhofer等人，“来自薄盘Yb: YAG激光器的810-fs脉冲中的60 W平均功率”，选项1. 来吧28（5），367（2003）

[20] A. Fernandez等人，“ C脉冲振荡器: 在没有外部放大的情况下实现高功率飞秒脉冲的途径”，第1页. 来吧29（12），1366（2004）

[21] G. Palmer等人，“具有正色散的无源锁模和空转Yb: KY（WO4）2振荡器”，选项一. Express 15（24），16017（2007）

参考: 锁模，有源锁模，锁模激光器，飞秒激光器，超短脉冲，双脉冲，可饱和吸收体，半导体可饱和吸收镜，克尔透镜锁模，自启动锁模，叠加脉冲锁模，调Q非线性特性，调Q锁模，脉冲，脉冲表征，脉冲传播建模，载波包络相移，频率梳，定时抖动，激光，光脉冲

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