什么是激光器的模式锁定（Mode Locking in Lasers）？

模式锁定是一种产生皮秒（10-12）或飞秒（10-15）级别的超短脉冲的技术。产生一连串周期性超短脉冲的激光器被称为模式锁定激光器。激光不具有单一的、不混合的频率或波长。所有的激光器都在一个自然的频谱或带宽上发出光。

图1：通过正弦波振荡的叠加实现锁模脉冲

在激光腔中，当两个频率和振幅相同的光波向相反方向移动时，会产生驻波。这些驻波形成一组离散的频率，称为腔体的纵向模式。这些具有频率的多个纵向振荡模式被模式间的间隔所分隔 

其中c是光速，L是谐振器的长度。这些纵向模式会相互干扰。如果它们的相位没有确定的关系，它们会发生破坏性的干涉，导致激光强度随时间不规则地波动。但如果有一个固定的相位（同相）关系，它们就会发生建设性的干涉，导致产生一系列的超短脉冲作为激光输出，这就是锁模。锁模的脉冲在时间上是分开的

这就是激光光束的往返时间TR。这个时间对应的频率等于激光器的模态间距，其公式为

相位振荡的模式数量决定了每个光脉冲的长度。如果有N个模式被一个频率∆ν隔开，那么整个模式锁定的带宽就是N∆ν。

激光脉冲的持续时间随着这个带宽的扩大而减少。

光调制器或可饱和吸收器被用于激光器的模式锁定。如果没有模式锁定，激光器会进行连续波模式操作。 模式锁定就是在模式之间建立一个相位关系并保持它。图1显示了模式锁定的脉冲。

模式锁定的类型

激光器的模式锁定主要有两种类型。

主动模式锁定 
被动模式锁定
主动模式锁定

主动模式锁定主要在连续波激光器上进行，如Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器、DPSS激光器等。它们产生重复率在80-250MHz范围内的相等脉冲，脉冲能量范围为纳焦耳。图2显示了激光器中的主动模式锁定。激光器的谐振腔包含一个增益介质和一个光损耗调制器，它可以随时间改变谐振腔的损耗。当一个外部信号被施加到光调制器上时，腔内会发生振幅或相位调制，从而导致激光器的模式锁定。声光（AO）或电光（EO）效应被用来引入激光腔内损耗的周期性调制。除了在脉冲即将通过时，光调制器会阻断通道。它将只在脉冲持续期间开放，从而形成一个巨大的窄脉冲。

图2：主动模式锁定

声光调制

声光器件被用来控制激光束。它们的工作原理是光弹性效应或声波与光在晶体材料上的相互作用。一个能产生超声波或声波的换能器被用作声光调制器。当声波被施加到这个调制器上时，通过它的光信号就会产生一个正弦变化的频移。振幅调制器对在腔镜内反弹的光起到了遮挡作用，在关闭时造成光的衰减，在打开时允许它们通过。

电光调制

电光调制器是一种用于通过应用电信号来控制激光束的功率、相位或偏振的装置。当施加电压时，非线性晶体的折射率被改变并导致双折射。一个平面偏振的光束分裂成两个正交的光束矢量被称为双折射。当一个电信号被施加到这个调制器上时，通过它的光会被诱导出一个正弦波变化的频移。如果调制频率和腔体往返时间相匹配，腔体中的一些光会经历重复的频率上移，而一些光会经历重复的频率下移。上移和下移的光在多次重复后被扫出激光器的增益带宽。唯一不受影响的光是当诱导的频率偏移为零时从调制器中出现的小脉冲光。波克尔电池是电光调制器的一个例子。

还有一种主动锁模方法，叫做同步锁模。 这种技术通过对激光器的泵浦源进行调制，有效地打开和关闭激光器以产生脉冲。泵源本身通常是另一个模式锁定的激光器。对于这种方法，驱动激光器和泵浦激光器的腔体长度必须精确匹配。

被动模式锁定

被动模式锁定是一种利用非电子手段在激光器中产生超短脉冲的方法。这是用可饱和吸收器实现的。可饱和吸收剂是一种光学元件，其吸收系数随着入射光强度的增加而减少。它吸收弱脉冲，同时以相对较少的吸收来传输强脉冲。可饱和吸收剂是由具有吸收激光特定波长的光的能力的有机染料制成。液体有机染料通常用于可饱和吸收器。在较高的脉冲强度下，染料的基态被耗尽，这就减少了谐振器的损失。可饱和吸收剂被保存在增益介质旁边的光学谐振器腔内。他们不需要外部信号来实现这种类型的锁模。腔内的激光本身会使腔内元件发生变化。

图3：无源模式锁定

在稳定状态下，一个短脉冲在激光腔内循环并击中可饱和吸收器。每次脉冲击中可饱和吸收器时，吸收就会达到饱和，从而减少腔内的损耗。然后，激光增益将达到一个饱和状态，在这个状态下，它可以补偿腔体的损失。但是，如果一个低强度的脉冲击中吸收器，它就不能使光饱和。因此，腔体损失将大于增益。与主动模式锁定脉冲相比，被动模式锁定脉冲的脉冲宽度更窄。图3显示了激光器中的无源模式锁定。

通常使用的无源技术是克尔透镜锁模（KLM）、碰撞脉冲锁模（CPM）和加法脉冲锁模（APML）。

克尔透镜锁模(KLM)

在无源模式锁定中，一种具有克尔效应的腔内饱和技术被称为克尔透镜模式锁定。克尔透镜锁模是基于光学的克尔效应。克尔效应背后的原理是强度相关的折射率。这种效应导致了高强度激光束的自聚焦和灯丝化。它与电光效应相似。在克尔透镜锁模中，强光束的强自聚焦效应与一个硬或软的增益孔相结合，导致自振幅调制，就像可饱和吸收器的工作一样。这是一种极其快速的模式锁定方法，允许从连续波泵浦激光器中获得一列连续的模式锁定脉冲。

克尔效应

晶体的折射率的变化是由施加外部电场引起的。在克尔效应中，折射率的变化与施加的电场的大小成正比。折射率的变化与施加电场的平方成正比。所有中心对称的晶体都表现出克尔效应。

克尔效应也被称为四次方电光效应。它有两种类型。克尔电光效应和光学克尔效应（也被称为交流克尔效应）。

在克尔电光效应中，施加一个变化的直流电场。通过施加一个变化的直流电场，发生折射率扰动，材料作为一个波板，将光线偏振到所需的方向。

在交流克尔效应中，没有外部施加的电场，相反，光源本身将充当一个交流源。交流克尔效应是一种自我诱导的效应，其中高强度光束的折射率根据以下因素被改变 

其中n2是非线性折射率，I是光束的强度，与电场的模数平方成正比。光学克尔效应在液体中更强。当施加电场时，液体分子与电场对齐，导致介质的折射率发生变化，使其成为双折射的。因此，入射的光被调制了。

碰撞脉冲模式锁定（CPM）

对撞脉冲模式锁定是一种将激光器模式锁定以产生超短脉冲的方法。在CPM中，两个或更多的无源锁模激光脉冲通过一个光学元件（如分光器）被结合起来，产生一个单一的、更短的脉冲。脉冲的碰撞导致非线性相互作用，从而形成一个具有明确时间轮廓的锁模脉冲。

这是由安装在环形激光器腔内的薄型可饱和吸收器中的两个反传播脉冲相互作用产生的，如图4所示。当两个反向传播的脉冲在可饱和吸收器内相遇时，它们产生一个增加的强度，开始漂白或减少介质中的光的吸收或传输。这种涉及可饱和吸收器内两个脉冲的锁模方式有两个优点。

它避免了将可饱和吸收器与其中一个镜子进行光学接触所带来的制造问题。
它提供了一个同步功能，产生更短、更稳定的脉冲。用这种技术已经产生了持续时间小于100 fs的稳定脉冲。

图4：用于碰撞脉冲模式锁定（CPM）的环形激光器安排

加法脉冲模式锁定(APML)

加法脉冲模式锁定是一种模式锁定激光系统的技术。它涉及到多个短激光脉冲的组合，每个脉冲都有自己的相位和振幅，以产生一个具有明确时间轮廓的单一长脉冲。

一个锁模激光器可以被设计成使其部分输出通过光纤发送，如图5所示。如果在光纤末端放置一面镜子，使光束返回到腔体中，那么激光脉冲通过光纤的部分就会被重新注入到腔体中。激光器本质上有两个相连的腔体，这种安排被称为耦合腔体。

图5：加法脉冲模式锁定（APM）的安排

还有一种模式锁定称为混合模式锁定，是主动和被动模式锁定的结合。这种方法被用于半导体激光器的模式锁定。

应用

锁模激光器被用于角膜眼手术。使用飞秒激光在角膜上产生微小的气泡，这样的气泡线将在角膜上形成一个切口，并取代了微角膜刀。气泡也可以在多层中产生，以去除这些层之间的一块角膜组织。

另一个应用是飞秒激光微机械加工。它们被用来钻研喷墨打印机的硅喷射表面。在不同类型材料的纳米加工中，使用了锁模飞秒激光器。由于锁模激光器产生高重复率的超短脉冲，它们被用于光学计算机、光学数据存储，以及经常使用非线性光化学的新兴3D光学数据存储技术。

锁模激光器的高精度被用于光子采样，以减少电子模拟到数字转换器（ADC）的采样误差。这些激光器被用于非线性光学过程，如谐波产生、参数下变频、光参数振荡、太赫兹辐射的产生等。锁模激光器还可应用于核聚变、光通信、双光子显微镜等。