自鎖模

自鎖模雷射器指的是那些除了雷射介質之外沒有其他功能(主動或被動)元件來產生短脈衝的鎖模雷射器.

基本介紹

• 中文名：自鎖模
• 外文名：self-locking mode

雷射器的自鎖模現象最早是在(He一Ne)雷射器中觀察到的田,後來又在紅寶石、氫離子、妝玻璃、coz及銅蒸汽等雷射器中觀察到.但是,由於它的輸出不穩定,被認為是一種僅有理論研究意義,而無實用價值,在實驗上應儘量避免的現象圓.早期的自鎖模分析是以蘭姆理論為依據的.蘭姆理論指出:當雷射器各個模式鎖定(如它們之間的相對相位為零)時,它就可以輸出短脈衝,但是對如何使相位鎖定,則沒有作進一步回答.Fahlen圖在縱向放電銅蒸汽雷射器的研究中提出:引起自鎖模的主要原因是激活區域的不均勻性,一具激活區域變均勻,自鎖模將消失.但是後來Kiegon和Kim在橫向放電的銅蒸汽雷射器實驗中同樣看到了自鎖模現象,從而否定了Fahlen的假說.自從觀察到欽寶石雷射器的自鎖模現象以來,雷射自鎖模又重新變得引人注目囚.利用腔內稜鏡對補償群速度色散後,欽寶石雷射器可以輸出自鎖模飛秒脈衝,並且所得的脈衝幾乎一天比一天短,目前最短可以達到13fs，它是直接從雷射器獲得的最短脈衝.在其他固體雷射器中也看到了自鎖模現象.此外,氣體雷射器的自鎖模也有所突破,在He一Ne雷射器中,通過反饋(調節腔長)可以獲得穩定的自鎖模脈衝輸出，在CuBr雷射器中圖,只需在腔內加一個小孔(濾掉高階橫模)就可以獲得高穩定性的自鎖模脈衝輸出.這證明了自鎖模不是沒有實用價值,而是很有套用前途的一種技術.在理論上,雖然也取得了一些成就,但和實驗相比則較慢,可以說真正的自鎖模機理還沒有搞清.目前大家比較接受的就是自克爾鏡模型.它是利用增益介質的自聚焦效應形成的透鏡(克爾鏡)和一個小孔(硬孔或軟孔)構成與強度相關的透射來產生短脈衝的。自克爾鏡模勉強解釋了固體雷射自鎖模,但對氣體雷射自鎖模則一籌莫展,因為大多氣體不屬於自聚焦介質.我們建立了一套新的雷射自鎖模模型,它依賴於雷射介質凹的增益(小信號增益)線型,因為這樣的增益線型有可能使雷射脈衝在放大的同時被壓窄,故它有可能自鎖.對於寬頻雷射器(如欽寶石雷射器),它具有較寬的增益線型,凹陷的增益線型有可能是由雷射光譜區域內自身非飽和吸收所致.對於窄帶激先器(如cuBr雷射器),凹的增益線型有可能是由雷射能級的簡併度分裂(斯塔克效應和塞曼效應)所致.有時蘭姆凹陷或譜燒孔也會形成凹的增益線型,但它產生的自鎖一般不穩定。

發展

從1964年第一次通過鎖模實驗獲得短脈衝雷射到現在,已有三十年時間,在此期間,超短脈衝雷射的獲得已取得了長足的進步,已從60年代的納秒級雷射發展到今天的飛秒級雷射。並且超短雷射已廣泛套用在雷射核聚變,X光實驗,雷射生物學,分子動力學,光信息材料處理等方面。三十多年前實現的是主動鎖模,它為雷射短脈衝的產生提供了一種非常可靠的手段,但雷射脈衝寬度受主動鎖模元件遲豫時間的限制,很難產生超短雷射脈衝。而在雷射器中利用被動可飽和吸收器件,實現被動鎖模,首先獲得了皮秒雷射脈衝。1985年Valdmanis等人在染料雷射器中獲得了27fs的短脈衝,從某種意義上來說,被動鎖模在所有雷射器中的作用都是基本相同,在雷射器內部,雷射脈衝自己調製自己,能夠得到更短的雷射脈衝。被動可飽和吸收鎖模分為慢可飽和吸收鎖模和快可飽和吸收鎖模,80年代,慢飽和吸收被動鎖模廣泛套用於染料雷射鎖模,可以產生飛秒級的雷射,但雷射的波長調諧範圍小。80年代末,鈦寶石雷射晶體的出現,為更廣調諧範圍超短脈衝雷射的產生提供了條件。鈦寶石雷射晶體具有寬的增益線寬,通過鎖模產生更短的雷射脈衝。90年代初,人們把染料雷射器被動鎖模套用到鈦寶石雷射中,利用染料噴射產生超薄可飽和吸收鎖模[6],可以產生2ps左右的脈衝雷射。之後多種超短技術套用到鈦寶石雷射,如同步泵浦,聲光鎖模,注入鎖定等,可以產生100fs左右的脈衝雷射。但由於雷射腔的群速度色散,限制了更短雷射脈衝的產生。1991年,D.E.Spence等人,利用氬離子雷射泵浦鈦寶石摺疊腔,在腔內不加任何鎖模元件,當泵浦雷射能量在一定範圍內微擾輸出耦合鏡,得到了2ps的雷射輸出。鎖模雷射脈寬主要受諧振腔總的群速度色散的限制,而在腔內加入SF14玻璃稜鏡對對諧振腔進行群速度色散補償,可以得到60fs的雷射脈衝。由於這類雷射器的構造簡單,造價低,又不需任何鎖模元件就可產生飛秒脈衝,所以鈦寶石自鎖模雷射就迅速發展起來,利用由SchottLaKL21材料製成的稜鏡對補償群速度色散,可以得到17fs的雷射脈衝。1996年德國馬普量子研究所利用兩對電介質鏡控制色散(包括群速度色散,群延遲色散,三階群速度色散),產生了10fs的脈衝,同年維也納技術大學量子電子學和雷射技術部利用啁啾電介質反射鏡進行色散控制,可以產生7.5fs的雷射脈衝。1997年紐西蘭超快雷射物理和量子電子學研究所和德國套用物理研究所綜合利用稜鏡對,啁啾反射鏡技術和寬頻半導體可飽和吸收體技術獲得了6.5fs的雷射,這是現今由鈦寶石直接產生的不經壓縮的最短脈衝雷射。與此同時,自鎖模雷射的理論也有一定的發展,最有影響的主要有A.H.Hermann等人提出的克爾鏡鎖模理論和T.Brabec等人提出的光孤子雷射器理論。1985年,啁啾脈衝放大技術的套用,為超強短脈衝雷射的產生提供了可能,當時採用的是光纖展寬和光柵壓縮技術,獲得了毫焦耳級的2ps的雷射脈衝。經過十幾年的發展,已能產生太瓦級雷射,1998年日本原子能研究所利用光柵對展寬、鈦寶石多級放大、光柵壓縮,可以產生100TW,20fs的鈦寶石雷射。而我國的上海光機所強光光學實驗室早在1996年就研製成了2TW,45fs的鈦寶石雷射系統。自鎖模技術和啁啾脈衝放大技術的套用,拓寬了超短雷射的套用。

增益介質基質的影響

固體增益介質的基質一般都具有非線性和群速度色散.非線性引起的相移(取決於脈衝的強度)是中心大於兩翼,通常為正的;群速度色散引起的相移(取決於脈衝包絡的曲率)也是中心大於兩翼,正負依賴於色散係數的正負.正色散係數引起的相移和非線性引起的相移同向,負的則反向.如果負的群速度色散引起的相移剛好能抵消非線性引起的相移,則可以鎖模,但它對脈衝形狀有特定的要求,一般為類孤子型.這樣的脈衝幅度越大,寬度越小,也就是說，有雷射介質在對脈衝放大的同時將它壓,才有可能鎖模。

增益介質對脈衝的放大

為了簡單,我們將雷射介質對脈衝的放大分為增益飽和放大和小信號增益放大.對於增益飽和放大,強度越大放大倍數就越小,則使脈衝展寬;對於小信號增益放大,它的增益線型通常表示為洛倫茲線型(均勻加寬介質)或高斯線型(非均勻加寬介質).無論那一種線型都是向上凸起的,它對脈衝譜中心的放大倍數大於對兩翼的放大倍數,即譜壓窄,則脈衝被展寬.總之,在一般情況下,增益介質對脈衝放大過程是一個對脈衝的放大和展寬的合過程.由前面分析可知,這樣的過程是不能維持模式鎖定的。也就是說,在通常的情況下,雷射器是不能實現自鎖模的.

主動鎖模和被動鎖模

為了得到短脈衝,人們通過在雷射器內加人不同的調製元件來保持脈衝的模式鎖定,通常可分為主動鎖模和被動鎖模.主動鎖模指的是在雷射腔內加人可以人為控制的元件,如聲光}周制器或電光調製器,來調節脈衝的扳耗達到壓窄脈衝的.從頻譜的角度來看,就是讓那些和中心模不同相的模衰減掉,而讓相位相同的模留下來.主動鎖模的優點是可以人為控制,輸出脈衝形狀也較好;缺點是受電子器件回響速度的限制,難以獲得皮秒以下的短脈衝.最典型的被動鎖模是飽和吸收體(通常為染料)鎖模,它的作用正好與增益介質相反,飽和吸收和小信號吸收都是使脈衝壓窄的.如果我們把吸收看作負的增益,淨的小信號增益仍是展寬脈衝的(由於吸收的線寬大於增益線寬),淨的飽和增益是壓窄脈衝的(因為吸收的飽和光強小於增益的飽和光強).當脈衝在雷射腔內運行一周后,兩者達到平衡,則模式鎖定.染料鎖模的優點是回響速度快,可以獲得皮秒或更短脈衝;缺點是穩定性差、易變質,一般僅可用幾天.所以尋找好的染料和全固體化的鎖模技術一直是人們追求的目標之一近年來,後者有所突破,出現了附加脈衝模鎖定(也叫藕合腔模鎖定)〔川和非線性鏡模鎖定〔,習.附加脈衝鎖模是利用附加腔內的非線性介質對脈衝相位調製後,再與雷射主脈衝在禍合鏡上相干疊加,從而使脈衝壓窄的.這種技術的好處是脈衝壓縮速度快,可以獲得飛秒脈衝;缺點是用作非線性介質的光纖芯徑小(一般只有幾個μm)、難藕合及難穩定(腔長失配要小于波長).非線性鏡鎖模是利用倍頻晶體的倍頻效率正比於光強的關係,先將脈衝的部分能量變成二次諧波儲存起來(脈衝的中心儲存的多,而兩翼儲存少),再經雙色鏡反射(基波部分反射,諧波全反射)後,最後基波在倍頻晶體中被參量放大.在整個過程中,非線性鏡輸出了一個寬脈衝,反饋了一個窄脈衝,故可以用它鎖模.該鎖模技術的優點是易實現、全固態;缺點是受晶體的倍頻譜域和回響速度的限制,難以獲得更短的脈衝。

自鎖模的克爾模型

對於自鎖模雷射器,它不像主動鎖模或被動鎖模雷射器脈衝壓縮元件,脈衝的壓縮只能靠增益介質本身.自鎖模的克爾模型就是利用增益介質的自聚焦效應壓縮脈衝的.這一模型可以解釋固體雷射器(如欽寶石雷射器)的自鎖模現象.自鎖模欽寶石雷射器的基本結構中,雷射介質同時又是克爾介質.當雷射脈衝通過該介質後會出現自聚焦,並且強度逾大、焦點逾近.如果在最短的焦點處放一小孔,則脈衝的中央全通過,而兩翼僅部分通過,故脈衝壓窄.在後來的實驗中發現,沒有小孔同樣可以自鎖,為了沿用原來的模型,有人提出了軟孔.軟孔指的是當雷射的模體積大於泵浦光的模體積時,脈衝的中央由於強的自聚焦幾乎全部進人泵浦光的模體積內被放大,而兩翼弱的自聚焦只有部分進人泵浦光的模體積內被放大,故脈衝中央的放大倍數大於兩翼的放大倍數(脈衝被壓窄),它可能自鎖。

自鎖模的增益凹陷模型

一個新的自鎖模模型,增益凹陷模型.它是依靠凹的小信號增益線型來壓縮脈衝的.如果脈衝的中心頻率正好位於凹陷內,小信號增益將脈衝放大、壓窄(由於譜展寬),以致平衡增益飽和對脈衝的展寬,實現自鎖。

寬頻雷射器

對於寬頻雷射器,它具有較寬的增益線型,即小信號增益頂部較平坦.如果在雷射的光譜區域正好有一個窄帶吸收,則有可能形成這樣的增益線型。對於欽寶石雷射器,在雷射光譜區域內正好有個吸收峰。

窄帶雷射器

對於窄帶雷射器,它的增益譜線較窄,不可能有更窄的自吸收譜來使增益線型形成凹陷,但是泵浦場和雷射場引起的增益譜線分裂(斯塔克效應和塞曼效應等)將會形成凹的小信號增益.如用比雷射上能級壽命短的脈衝同步泵浦雷射介質,由於相干相互作用(主要指動態斯塔克效應)將會形成凹的小信號增益.此外,強的雷射場也能形成凹的小信號增益,CuBr雷射器的自鎖模可能就是這種情況.但是測量的鎖模脈衝譜一般沒有凹陷,這是因為它對應的增益線型包括了增益飽和(非小信號增益),而增益飽和又會使凹陷消失。

自鎖模的穩定性分析

除了cuBr雷射器之外,在沒有外部作用的情況下,幾乎所有的自鎖模雷射器都不穩定.我們認為不穩定的主要原因是不能形成穩定的凹的小信號增益.對於欽寶石雷射器,開始的增益係數遠大於吸收係數,氣難以形成凹的小信號增益.只有當脈衝信號足夠強(出現飽和)時,才能形成凹的小信號增益,所以它不能自起動.對於He一Ne雷射器,由於它的功率密度低難以形成凹的小信號增益而自鎖;對於銅蒸汽雷射器,雖然它的功率密度較高,但它的增益線寬也較寬(由於它的工作溫度較高),同樣難於形成凹的小信號增益而自鎖;對於cuBr雷射器,它具有較高的功率密度、較窄的增益線寬(由於它的工作溫度較低),故它容易形成凹的小信號增益而自鎖.除了上述兩種情況外,凹的小信號增益還可能由蘭姆凹陷或譜燒孔形成,但它形成的自鎖模一般不穩定.為了得到穩定的自鎖模雷射脈衝,可以通過一些其他手段來獲得凹的小信號增益.對於欽寶石雷射器,可以利用中心波長高透的輸出藕合鏡來實現.對於窄帶雷射器,可以通過外加電磁場來形成凹的小信號增益.自鎖模脈衝的寬度取決於增益凹陷的寬度,故還有可能實現可調諧自鎖模.