激光器技術(shù)之選模、穩(wěn)頻、調(diào)Q及鎖模

把這4種技術(shù)放在一起討論是因?yàn)樗鼈兌际侵苯訉?duì)激光器諧振腔的輸出特性產(chǎn)生作用。

1、選模：

選模其實(shí)就是選頻。大多數(shù)激光器為了得到較大的輸出能量使用較長(zhǎng)的諧振腔，這就使得激光器的輸出是多模的。然而基橫模（TEM00模）與高階模相比，具有亮度高、發(fā)散角小、徑向光強(qiáng)分布均勻、振蕩頻率單一等特點(diǎn)，具有最佳的空間和時(shí)間干涉性。因此，單一的基橫模激光器是一種最理想的相干光源，對(duì)于激光干涉測(cè)量、光譜分析、激光加工等應(yīng)用十分重要。為了滿足這些條件，必須采用限制激光振蕩模的措施，抑制多模激光器中大多數(shù)諧振頻率的工作，利用模式選擇技術(shù)，獲得單模單頻激光輸出。

選模分為兩種方式：一是對(duì)激光縱模的選取；二是對(duì)激光橫模的選取。前者對(duì)激光的輸出頻率影響較大，能夠大大提高激光的相干性；后者主要影響激光輸出的光強(qiáng)均勻性，提高激光的亮度。

1）、縱模選?。阂岣吖馐膯紊院拖喔砷L(zhǎng)度，就需要使激光器工作在單一縱模下。但是許多激光器往往有幾個(gè)縱模同時(shí)振蕩，因此，要設(shè)計(jì)單縱模激光器就必須采用選頻的方法。常見(jiàn)的方法有：短腔法，法布里鉑羅標(biāo)準(zhǔn)具法，三反射鏡法等。

2）、橫模選取：激光振蕩的條件是增益系數(shù)必須大于損耗系數(shù)。損耗可分為與橫模階數(shù)有關(guān)的衍射損耗和振蕩模式無(wú)關(guān)的其他損耗?；鶛M模選擇的本質(zhì)是使TEM00模達(dá)到振蕩條件，而使高階橫模的振蕩收到抑制。因此只需控制各高階模式的衍射損耗，即可達(dá)到選橫模的目的。一般來(lái)說(shuō)，只要能抑制比基橫模高一階的TEM01模和TEM10模振蕩，就能抑制其他高階模的振蕩。常見(jiàn)的方法有：光闌法、聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法、凹凸腔、利用調(diào)Q選模等。

2、穩(wěn)頻：

激光器通過(guò)選模獲得單頻振蕩后，由于內(nèi)部和外界條件的變化，諧振頻率仍然會(huì)在整個(gè)線性寬度內(nèi)移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為“頻率漂移“。由于漂移的存在，出現(xiàn)了激光器頻率穩(wěn)定性的問(wèn)題。穩(wěn)頻的目的就是設(shè)法控制這些可控因素，使其對(duì)振蕩頻率的干擾減至最小限度，從而提高激光頻率的穩(wěn)定性。

頻率穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面：頻率穩(wěn)定度和頻率復(fù)現(xiàn)度。頻率穩(wěn)定度是指激光器在一次連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的頻率漂移與振蕩頻率之比，比值越小，頻率穩(wěn)定度越高。頻率復(fù)現(xiàn)度是激光器在不同環(huán)境下使用時(shí)頻率的相對(duì)變化量。穩(wěn)頻方法分為被動(dòng)和主動(dòng)式兩種，具體的穩(wěn)頻方法有：蘭姆凹陷法、飽和吸收法。

3、調(diào)Q：

一般固體脈沖激光器輸出的光脈沖不是單一的光滑脈沖，而是一群由寬度在微秒量級(jí)的強(qiáng)度不等的小尖峰脈沖組成的序列。這種光脈沖序列持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾百微秒甚至幾毫秒，其峰值功率也只有幾十千瓦的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了激光雷達(dá)、激光測(cè)距等實(shí)際應(yīng)用的需求。為此有人就提出了調(diào)Q的概念，使激光脈沖輸出性能得到了幾個(gè)數(shù)量級(jí)的改善，脈沖寬度壓縮到納秒級(jí)，峰值功率高達(dá)千兆瓦。

Q指的是激光諧振腔的品質(zhì)因素，具體公式Q=2π*諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存的能量/每振蕩周期損耗的能量。

調(diào)Q原理：采用某種方法使諧振腔在泵浦開(kāi)始時(shí)處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時(shí)激光振蕩的閾值很高，粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)即使積累到很高水平也不會(huì)產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到峰值時(shí)，突然使腔的Q值增大，將導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益大大超過(guò)閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩。這時(shí)存儲(chǔ)在亞穩(wěn)定狀態(tài)上的粒子所具有的能量會(huì)很快轉(zhuǎn)換為光子的能量，光子以極高的速率增大，激光器便可輸出一個(gè)峰值功率高，寬度窄的激光脈沖。

因?yàn)橹C振腔的損耗包括反射損耗、吸收損耗、衍射損耗、散射損耗和透射損耗，因而用不同的方法控制不同類型的損耗就形成了不同的調(diào)Q技術(shù)。目前常見(jiàn)的調(diào)Q技術(shù)有：聲光調(diào)Q、電光調(diào)Q及染料調(diào)Q。

4、鎖模：

調(diào)Q可以壓縮激光脈沖寬度，得到脈寬為豪微秒量級(jí)、峰值功率千兆瓦量級(jí)的激光脈沖。鎖模技術(shù)是進(jìn)一步對(duì)激光進(jìn)行特殊的調(diào)制，強(qiáng)迫激光器中振蕩的各個(gè)縱模的相位固定，使各模式相干疊加以得到超短脈沖的技術(shù)。采用鎖模技術(shù)，可得到脈寬為飛秒量級(jí)、峰值功率高于T瓦量級(jí)的超短激光脈沖。鎖模技術(shù)使得激光能量在時(shí)間上高度集中，是目前獲得高峰值功率激光的最先進(jìn)技術(shù)。

鎖模原理：一般非均勻增寬激光器總是產(chǎn)生多縱模。由于各個(gè)模式的頻率和初相位并無(wú)確定的關(guān)系，各個(gè)模式互不相干，因此多縱模輸出的光強(qiáng)是各縱模的非相干疊加。輸出光強(qiáng)隨時(shí)間無(wú)規(guī)律起伏。鎖模使得諧振腔中可能存在的多個(gè)縱模同步振蕩，讓各振蕩模的頻率間隔保持相等并使得它們的初相位保持為常數(shù)，使激光器輸出在時(shí)間上有規(guī)律的等間隔的短脈沖序列。

鎖模技術(shù)分為主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模。主動(dòng)鎖模：在諧振腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制頻率v=c/2L的調(diào)制器，對(duì)激光輸出進(jìn)行振幅和相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)縱模同步振動(dòng)。被動(dòng)鎖模：在激光腔內(nèi)插入一個(gè)有飽和吸收特性的染料盒。可飽和吸收特性的染料盒的吸收系數(shù)是會(huì)隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)而下降的。激光器內(nèi)，隨著光泵對(duì)工作物質(zhì)的激勵(lì)，各個(gè)縱模都會(huì)隨機(jī)的發(fā)生，光場(chǎng)就會(huì)由于它們的疊加而在強(qiáng)度上有所起伏。當(dāng)有些縱模偶然得到相干加強(qiáng)時(shí)，出現(xiàn)光強(qiáng)較強(qiáng)的部分，其他部分則較弱。這些較強(qiáng)的部分通過(guò)染料，被吸收的少，損耗不大。較弱的部分通過(guò)染料被吸收的多，變得更弱。光場(chǎng)多次通過(guò)染料的結(jié)果，強(qiáng)處和弱處就明顯的區(qū)分開(kāi)來(lái)了，最終造成這些縱模相干加強(qiáng)處以窄脈沖的形式被選出來(lái)。被動(dòng)鎖模對(duì)染料盒的光學(xué)特性有一定的要求：染料的吸收線要和激光波長(zhǎng)很接近；吸收線的線寬要>=激光線寬；弛豫時(shí)間短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間。