多模激光器

定義

多模激光器是指同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)模發(fā)射光的激光器。

在有幾個(gè)縱模同時(shí)振蕩的激光器中，可觀察到在單模激光器中未曾見(jiàn)到的一些效應(yīng)。由于至今還沒(méi)有提出一種“完善”處理多模激光器飽和效應(yīng)的方法，因此一般情況下限于討論蘭姆的“三級(jí)”解，但即使在這種限制下，理論也是十分復(fù)雜的。通過(guò)對(duì)一個(gè)“三模”激光器的研究，可以確定氣體激光器多模振蕩的主要特點(diǎn)。在三模激光器中，場(chǎng)系由三個(gè)單色振蕩組成，它們的頻率分別等于或接近于諧振腔的三個(gè)共振頻率1。

設(shè)計(jì)原則

多模激光器的設(shè)計(jì)不同于單模激光器，一般選擇較大的放電管內(nèi)徑，降低高階模的衍射耗以獲得大功率輸出2。

輸出特性

未經(jīng)鎖模狀態(tài)

首先討論未經(jīng)鎖模的所謂多縱模自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出特性。腔長(zhǎng)為L(zhǎng)的激光器，可知其縱模的頻率間隔，自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包括若干個(gè)超過(guò)閾值的縱模，這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時(shí)間的變化是它們無(wú)規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值。

假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有N個(gè)縱模，那么，激光器輸出的光波電場(chǎng)是N個(gè)縱橫電場(chǎng)的和。在一般情況下，這N個(gè)縱模的相位之間是無(wú)關(guān)的，即它們之間在時(shí)間上相互沒(méi)有關(guān)聯(lián)，完全是獨(dú)立的、隨機(jī)的。另一方面，各縱模的相位本身受到激光工作物質(zhì)及腔長(zhǎng)的熱變形，泵浦能量的變動(dòng)等各種不規(guī)則擾動(dòng)的影響，還會(huì)產(chǎn)生各自的漂移，即它們?cè)跁r(shí)間軸上是不穩(wěn)定的。這樣就破壞了各橫縱模之間的相干條件，所以激光輸出的總光場(chǎng)是各個(gè)不同頻率光場(chǎng)的無(wú)規(guī)則疊加的結(jié)果，其光場(chǎng)強(qiáng)度也隨時(shí)間無(wú)規(guī)則起伏。

鎖模狀態(tài)

如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的相位相互聯(lián)系起來(lái)，使之有一確定的關(guān)系，那么就會(huì)出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象：激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖。這就是說(shuō)，該激光器各模的相位已按照常數(shù)關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱為鎖模技術(shù)。

模式鎖定

鎖模的基本原理

要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈沖，只有采用鎖模的方法，即使各縱模相鄰頻率間隔相等并固定時(shí)，這一點(diǎn)在單橫模的激光器中是能實(shí)現(xiàn)的。需分析激光輸出與相位鎖定的關(guān)系，為方便起見(jiàn)，可設(shè)多模激光器的所有振蕩模均具有相等的振幅，超過(guò)閾值的縱模共有2N+1個(gè)，處在介質(zhì)增益曲線中心的模，其角頻率為，初相位為0，其模序數(shù)q=0，即以中心模作為參考，各相鄰模的相位差為α，及其模頻率間隔，第q個(gè)振蕩模，則可得到激光器輸出總光場(chǎng)是2N+1個(gè)縱橫相干的結(jié)果3。

鎖模的方法

鎖模最早是在He-Ne激光器內(nèi)用聲光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的，后在氬離子、二氧化碳、紅寶石、釔鋁石榴石等其他激光器中都用內(nèi)調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)鎖模。后來(lái)又出現(xiàn)了可飽和吸收染料鎖模。隨著鎖模技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了超短脈沖測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，后來(lái)又反過(guò)來(lái)推動(dòng)了鎖模技術(shù)的發(fā)展。1968年開(kāi)始的橫模鎖定的研究，隨后又進(jìn)行了縱橫模同時(shí)鎖定的探討。70年代開(kāi)發(fā)了主動(dòng)加被動(dòng)、雙鎖模（損耗調(diào)制加相位調(diào)制）、鎖模加調(diào)Q及同步鎖模等技術(shù)的研究。3

1.主動(dòng)鎖模

主動(dòng)鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法。其依據(jù)是，利用諧振腔內(nèi)的一個(gè)受外部信號(hào)控制的調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性地改變諧振腔的損耗或光程（振幅調(diào)制和相位調(diào)制）。當(dāng)選擇的調(diào)制頻率與縱模的間隔相等時(shí)，對(duì)多個(gè)模的調(diào)制會(huì)產(chǎn)生邊帶，其頻率與兩個(gè)相鄰縱模的頻率一致。由于模之間的相互作用，使所有的模在足夠強(qiáng)的調(diào)制下達(dá)到同步，形成鎖模序列脈沖3。

2.被動(dòng)鎖模

產(chǎn)生超短脈沖的另一種有效方法是被動(dòng)鎖模。此方法是把可飽和吸收體放在激光諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)的?？娠柡臀阵w是一種非線性介質(zhì)，對(duì)腔內(nèi)激光的吸收是隨光場(chǎng)強(qiáng)度而變化的，當(dāng)光場(chǎng)較弱時(shí)對(duì)光吸收很強(qiáng)，因此光透過(guò)率很低；隨著激光強(qiáng)度增加吸收減少，當(dāng)達(dá)到一個(gè)特定值時(shí)吸收飽和光透過(guò)率達(dá)100%，使強(qiáng)度最大的激光脈沖經(jīng)受最小的損耗，從而得到很強(qiáng)的鎖模脈沖。它類似于被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)，但又有區(qū)別，被動(dòng)鎖模要求可飽和吸收體的上能級(jí)壽命特別短3。

3.自鎖模

若激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個(gè)振蕩縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系，不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件就可以實(shí)現(xiàn)縱模鎖定的方法稱為自鎖模3。

4.同步泵浦鎖模

主動(dòng)鎖模是通過(guò)周期性調(diào)制諧振腔的損耗或光程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果要通過(guò)周期性的調(diào)制諧振腔的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖模，則可以采用一臺(tái)主動(dòng)鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺(tái)激光器來(lái)獲得。這種方式就是同步泵浦鎖模。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于周期性泵浦時(shí)可獲得比泵浦脈沖寬度小得多的脈沖。此外，在同步泵浦染料激光器中，產(chǎn)生的超短脈沖的頻率在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)是可連續(xù)的3。