锁模激光器

锁模激光器是一种应用主动或被动锁模技术的激光器，从而发射出周期性的超短脉冲序列。由于超短脉冲具有一定的带宽，短脉冲锁模激光器（特别是在亚皮秒区域）需要激光增益介质具有较大增益带宽。其他需要的特性是较低的非线性和色散，以及（特别是对于被动锁模）足够高的激光横截面以避免Q开关的不稳定性。

锁模激光器的类型

• 20世纪70年代，染料激光器被广泛使用，用氩离子激光器泵浦。染料激光器有很宽的增益带宽，可以产生很短的脉冲。然而，当固态激光器能够提供类似或更好的性能时，染料激光器已被大部分固态激光器所取代。
• 基于掺杂绝缘体晶体或玻璃的固体块状激光器，是当今最主要的模式锁定激光器类型。它们可以实现非常短的脉冲、非常高的脉冲能量和平均输出功率、高（或低）脉冲重复率以及较高脉冲质量。
• 光纤激光器也可以通过模式锁定来产生非常短的脉冲，其设备一般很便宜。高输出功率通常不是直接实现的，而是通过使用光纤放大器。超快光纤激光器的脉冲持续时间通常受非线性或高阶色散的限制，而不受增益带宽的限制。
• 半导体激光器可以被制造成锁模二极管激光器，主要应用于光纤通信。最近，已经证明光泵浦被动锁模 VECSEL 可以与其他固态激光器相媲美，特别是当需要相对较高的输出功率、数千兆赫的脉冲重复率以及较短的脉冲持续时间（几皮秒或更短）时。

由于这些激光增益介质的特性非常不同，选择一个合适的介质来使锁模激光器在特定参数范围内运行至关重要。

具有中低输出功率的典型飞秒锁模固态体激光器的谐振器结构，增益介质可以由晶体或玻璃制成。 棱镜对用于色散补偿，无源锁模通过 SESAM 实现。

一些特别的优势

被动锁模固态激光器的一些特殊成就是：

• 持续时间低于10fs（几个周期的脉冲）的最短脉冲通常是通过钛蓝宝石激光器的KLM透镜锁模实现的。
• 在亚皮秒脉冲中，被动锁模薄盘激光器的脉冲平均输出功率超过200w，脉冲能量超过10μJ，在皮秒脉冲中甚至达到80μJ。
• 被动锁模微型体激光器和谐波锁模光纤激光器都获得了很高的脉冲重复率，使用小型激光二极管甚至可以达到>1THz，甚至更高。
• 各种激光器（通常具有高脉冲重复率）已经达到了量子限制的时间抖动性能，从而超过了许多高质量的电子振荡器。
• 用于50GHz脉冲重复率的微型Er:Yb:玻璃激光器结构。腔体长度只有3毫米（从输出耦合器到SESAM），修改后的设置甚至可以达到100 GHz。

腔倒空技术

通过在激光谐振腔中加入腔倒空器，锁模激光器可以产生更高的脉冲能量，以较低的脉冲重复率（100kHz或1MHz）获得几微焦耳能量。基本原理是在谐振腔内形成高能量脉冲，同时具有低谐振器损耗，然后通过腔体倾倒器耦合输出能量。

锁模激光器的应用

• 短脉冲可以用时间分辨技术测量，例如对集成电子电路的电光采样测量，或对半导体设备如SESAM的泵探针测量。
• 由于各种原因，各种成像方法、激光显微术和激光光谱法从短脉冲中获益匪浅。例如，飞秒激光器的高峰值功率可用于双光子吸收荧光显微镜，在所有三个维度上都达到非常高的空间分辨率。
• 在光学计量领域，锁模激光器可用于距离测量，但也可用于频率计量（时间保持）和其他领域。在频率计量方面，锁模激光器的频率梳起着特别重要的作用。
• 锁模激光器的高峰值功率极大地促进了非线性频率转换的许多过程，即使平均功率保持中等水平。
• 其他具有巨大潜力的领域是微波、毫米波和太赫兹光学，以及皮秒光电子学。
• 模激光器还经常与超快放大器结合使用，以获得更高的平均功率，尤其是更高的脉冲能量和峰值功率。 这种放大系统可以满足较多的额外应用：
• 高脉冲强度可用于激光材料加工的应用，如激光微加工、激光表面改性、钻孔和三维激光原型制作。
• 在医疗领域，锁模激光器可再次用于一种材料加工，例如，作为激光手术刀或用于眼科（如视力矫正）。还有一些光化学效应，例如用于某些皮肤治疗。
• 高功率激光投影显示器可以通过锁模激光器和频率转换阶段来实现，后者在使用超短脉冲时通常要简单得多。