什么是激光器的增益开关（Gain Switching in Lasers）？

增益开关是一种通过调节泵浦功率或激光器增益在激光器中产生皮秒级（10-12）的短光脉冲的方法。可以为增益开关提供一个电或光的泵浦。

在这种方法中，光腔的增益从低值迅速变化到高值。当给定一个高的泵浦功率时，激光发射需要时间，因为种群反转需要时间，而且激光总是以弱荧光开始。在这一瞬间，活性介质中的增益很低。然后，这种光在若干次谐振器的往返中被放大，因此一些能量被储存在增益介质中，从而使增益增加。储存的能量以短光脉冲的形式被提取，这种技术被称为激光器的增益开关。这些输出脉冲将以尖峰的形式出现。当泵浦脉冲能量较高时，脉冲建立时间和泵浦脉冲持续时间都较短。因此，获得的脉冲可以短于泵浦脉冲持续时间和增益介质的上层激光寿命。通过使用较长的激光谐振器，可以增加脉冲建立时间，这也增加了输出脉冲的持续时间。

图1：泵关闭和开启时获得的输出脉冲

当泵从OFF状态转到ON状态时，得到的输出脉冲如图1所示。最初，当泵关闭时，激光介质中没有增益。也就是说，只有损失存在。当泵突然打开时，光脉冲的振荡和放大开始建立起来，从而增加了增益，它将超过损失。如果泵关闭，增益将自动减少，能量归零，直到泵再次被打开。

半导体激光器通过调制通过它的注入电流来直接调制激光输出。在半导体激光器中，活性区域是一个p-n结。它被注入电子或载流子，使载流子密度从低值增加到高于发光阈值的高值。当载流子密度上升到该阈值以上时，就会发生激励发射，产生光子。由于刺激发射的结果，载流子耗尽的速度比注入的速度快，导致载流子密度下降到发光阈值以下，并停止光输出。如果在此期间载流子注入没有停止，这个过程可以通过再次增加载流子密度而重复。

图2：在固定的泵浦功率下，增益开关固态激光器获得的输出尖峰

图2显示了通过仔细调整激光器参数和泵浦脉冲获得的单一输出脉冲。而图3显示了当泵浦脉冲能量进一步增加时，增益开关固体激光器的输出。这种泵浦脉冲能量的增加导致了激光脉冲的过早发射，从而产生了第二个脉冲。

图3：进一步增加泵浦功率时获得的输出

应用

增益开关用于不同的激光器中，例如。

染料激光器。它们用脉冲氮气紫外激光器或准分子激光器进行泵浦。
气体激光器。短电流脉冲用于泵浦TEA二氧化碳激光器，并由它们发射可能比应用电流脉冲更短的纳秒脉冲。
固态激光器。这些激光器在光学泵浦几微秒的时间内发出纳秒脉冲。由于Q-开关更强大，在这些激光器中，增益开关的频率较低。
激光二极管。当激光二极管用短电流脉冲或连续调制信号操作时，会发出几纳秒甚至几皮秒的光脉冲，脉冲重复率高达几千兆赫兹。这些激光二极管被用于电信应用。增益开关二极管激光器也可作为光参量放大器的种子激光器。
光纤激光器。增益开关光纤激光器具有高效、单模操作、免维护等优点。它们具有宽光谱覆盖、窄带宽、简单的几何形状和高脉冲能量。激光二极管被用来泵浦这些光纤激光器。