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锁模激光器的原理

更新时间:2023-05-29 点击次数:1096
  在一个简单的激光器中,每一个模式都独立地振荡,彼此之间没有固定的关系,本质上就像一组独立的激光器,它们都以略微不同的频率发光。每种模式中光波的各个相位都不是固定的,可能会因激光器材料的热变化等因素而随机变化。在只有少数振荡模式的激光器中,模式之间的干扰会导致激光输出中的拍频效应,导致强度波动;在具有数千个模式的激光器中,这些干扰效应趋于平均到接近恒定的输出强度。
 
如果不是独立振荡,而是每个模式运行时与其他模式之间保持固定的相位差,则激光输出的行为会截然不同。激光模式将周期性地相互干涉,而不是随机或恒定的输出强度,从而产生强烈的光脉冲或脉冲。这种激光器被称为锁模激光器。这些脉冲在时间上以τ=2L/c隔开,其中τ是光在激光腔中进行一次往返所需的时间。该时间对应的频率正好等于激光器的模式间距
  每个光脉冲的持续时间由同相振荡的模式数决定。如果有N个频率间隔Δν的模式被锁定,则整体锁模带宽为NΔν,且该带宽越宽,激光器的脉冲宽度越短。实际上,实际脉冲宽度由每个脉冲的形状决定,而每个脉冲的形状又由每个纵模的精确振幅和相位关系决定。例如,对于产生高斯时间形状脉冲的激光,最小可能脉冲宽度Δt由下式给出:
 
  值0.441被称为脉冲的时间带宽积,并根据脉冲形状而变化。对于超短脉冲激光器,通常假设双曲正割平方(sech2)脉冲形状,给出0.315的时间带宽积。
 
  利用该方程,可以计算出与测量的激光光谱宽度一致的最小脉冲宽度。对于光谱宽度为1.5 GHz的氦氖激光器,与此光谱宽度一致的最短高斯脉冲约为300皮秒;对于128太赫兹带宽的钛宝石激光器,这个光谱宽度只有3.4飞秒。这些值代表与激光器线宽一致的最短高斯脉冲;在实际的锁模激光器中,实际的脉冲宽度取决于许多其他因素,例如实际的脉冲形状和腔的整体色散。
 
  原则上,后续调制可以进一步缩短这种激光器的脉冲宽度;然而,测得的光谱宽度将相应增加。
 

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