雷射鎖模技術

雷射單元技術之一。指在雷射器內不同振盪縱模之間實現位相鎖定，以期獲得規則的超短脈衝序列的專門技術。在不採用特殊的附加技術的一般情況下，在雷射工作物質增益線寬內往往會產生多個或大量縱模的同時振盪（見雷射限模技術附圖）。

基本介紹

• 中文名：雷射鎖模技術
• 含義：在雷射器內不同振盪縱模之間實現
• 具體：亦可同時採用主動鎖模與被動鎖
• 優點：往往會產生多個或大量縱模的同時

實現原理

如果雷射工作物質的增益頻寬主要是由自發輻射過程的非均勻增寬機制所決定，則上述多個不同縱模的振盪可以彼此獨立地發生，它們相互之間的位相關係對時間來說是隨機變化的，彼此之間不能產生持續的相干作用;與此相應,輸出雷射實際上是由一系列不規則的寬度較寬而高度較低的雜亂脈衝組合而成，這是由於大量頻率不同而位相關係隨機改變的電磁場“拍頻”作用的結果（圖a）。如果通過採取某種特殊的方法，使得在共振腔內不同的振盪縱模之間建立起確定的（“鎖定”的）相對位相關係，則它們之間的振盪就不再是彼此無關的,而必然伴隨著一種多縱模間的相干作用效果（圖b）。眾多縱模之間保持同步振盪和彼此之間相互“干涉”作用的結果，導致輸出雷射呈現為一系列規則的脈衝系列；該序列中每個單獨光脈衝的時間寬度，由維持同步振盪的不同縱模的數目所決定，並且在數值上約等於相鄰縱模頻率間隔與上述振盪縱模數相乘積倒數。由上面的說明可看出，為獲得儘可能窄的輸出雷射脈衝寬度，採用具有較大增益頻寬的雷射工作是有利的。

實現方法

為實現雷射縱模之間的位相鎖定，可分別採用以下兩種方法：

主動鎖模在腔內置入適當的損耗調製元件（如聲光調製元件或電光調製元件）並使調製的頻率 v┡ 正好等於由共振腔所決定的相鄰縱模頻率間隔δv=с/2L（с為光速，L為腔長）。此情況下，按傅立葉分析原理,對某個指定的縱模而言，由於受頻率為v┡ 的幅度調製,其頻譜結構圖中的側邊帶正好與其相鄰的兩個其他縱模頻率位置相重合；這意味著通過調製側邊帶而使不同振盪縱模之間發生能量耦合併進而形成同步振盪或位相鎖定式的振盪。

被動鎖模實驗研究表明，將可飽和吸收染料媒質置於雷射共振腔技術內,不但可起到調Q開關（見雷射調Q技術）的作用，而且在一定的條件下,他們亦可起到鎖模的作用；此時不需要外界附加的調製源，而是靠染料媒介本身與雷射相互作用的固有特性，因此這種鎖模技術稱為被動鎖模技術。多個振盪縱模與腔內可飽和吸收染料媒質相互作用的結果，是使染料媒質本身的光學透過率特性呈現出周期性脈動的特點，而這種變化周期所對應的頻率,恰恰等於相鄰振盪縱模之間的頻率間隔,從而能產生類似於主動調製鎖模那樣的效果。被動鎖模的優點是方法簡單、裝置輕便；不足之處是鎖模穩定性和重複性不如主動鎖模。

在某些使用要求下，亦可同時採用主動鎖模與被動鎖模的方法，以收到更好的效果。

以一般常用的釹玻璃脈衝雷射器而言，由非均勻加寬決定的增益頻寬可達上百埃，採用調Q技術,可使雷射輸出脈衝時間壓縮到10～10秒量級；若進一步採用鎖模技術，則可獲得更精細的規則脈衝序列，其中每個單脈衝的持續時間可壓縮到只有10～10秒量級或更短；在此基礎上，若再進一步採用腔外選脈衝開關（如火花隙控制電光開關），則可在輸出脈衝序列中挑選出單獨一個雷射超短脈衝，輸入到下一級的雷射放大器系統中進行放大。