激光器技术之选模、稳频、调Q及锁模

      把这4种技术放在一起讨论是因为它们都是直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用。

      1、选模：

      选模其实就是选频。大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的谐振腔，这就使得激光器的输出是多模的。然而基横模（TEM00模）与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的空间和时间干涉性。因此，单一的基横模激光器是一种最理想的相干光源，对于激光干涉测量、光谱分析、激光加工等应用十分重要。为了满足这些条件，必须采用限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用模式选择技术，获得单模单频激光输出。

      选模分为两种方式：一是对激光纵模的选取；二是对激光横模的选取。前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性；后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度。

      1）、纵模选取：要提高光束的单色性和相干长度，就需要使激光器工作在单一纵模下。但是许多激光器往往有几个纵模同时振荡，因此，要设计单纵模激光器就必须采用选频的方法。常见的方法有：短腔法，法布里鉑罗标准具法，三反射镜法等。

      2）、横模选取：激光振荡的条件是增益系数必须大于损耗系数。损耗可分为与横模阶数有关的衍射损耗和振荡模式无关的其他损耗。基横模选择的本质是使TEM00模达到振荡条件，而使高阶横模的振荡收到抑制。因此只需控制各高阶模式的衍射损耗，即可达到选横模的目的。一般来说，只要能抑制比基横模高一阶的TEM01模和TEM10模振荡，就能抑制其他高阶模的振荡。常见的方法有：光阑法、聚焦光阑法和腔内望远镜法、凹凸腔、利用调Q选模等。

      2、稳频：

      激光器通过选模获得单频振荡后，由于内部和外界条件的变化，谐振频率仍然会在整个线性宽度内移动，这种现象称为“频率漂移“。由于漂移的存在，出现了激光器频率稳定性的问题。稳频的目的就是设法控制这些可控因素，使其对振荡频率的干扰减至最小限度，从而提高激光频率的稳定性。

      频率稳定性包括两个方面：频率稳定度和频率复现度。频率稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比，比值越小，频率稳定度越高。频率复现度是激光器在不同环境下使用时频率的相对变化量。稳频方法分为被动和主动式两种，具体的稳频方法有：兰姆凹陷法、饱和吸收法。

      3、调Q：

      一般固体脉冲激光器输出的光脉冲不是单一的光滑脉冲，而是一群由宽度在微秒量级的强度不等的小尖峰脉冲组成的序列。这种光脉冲序列持续时间长达几百微秒甚至几毫秒，其峰值功率也只有几十千瓦的水平，远远满足不了激光雷达、激光测距等实际应用的需求。为此有人就提出了调Q的概念，使激光脉冲输出性能得到了几个数量级的改善，脉冲宽度压缩到纳秒级，峰值功率高达千兆瓦。

      Q指的是激光谐振腔的品质因素，具体公式Q=2π*谐振腔内储存的能量/每振荡周期损耗的能量。

      调Q原理：采用某种方法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q值状态，这时激光振荡的阈值很高，粒子密度反转数即使积累到很高水平也不会产生振荡；当粒子反转数达到峰值时，突然使腔的Q值增大，将导致激光介质的增益大大超过阈值，极其快速地产生振荡。这时存储在亚稳定状态上的粒子所具有的能量会很快转换为光子的能量，光子以极高的速率增大，激光器便可输出一个峰值功率高，宽度窄的激光脉冲。

      因为谐振腔的损耗包括反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗和透射损耗，因而用不同的方法控制不同类型的损耗就形成了不同的调Q技术。目前常见的调Q技术有：声光调Q、电光调Q及染料调Q。

      4、锁模：

      调Q可以压缩激光脉冲宽度，得到脉宽为豪微秒量级、峰值功率千兆瓦量级的激光脉冲。锁模技术是进一步对激光进行特殊的调制，强迫激光器中振荡的各个纵模的相位固定，使各模式相干叠加以得到超短脉冲的技术。采用锁模技术，可得到脉宽为飞秒量级、峰值功率高于T瓦量级的超短激光脉冲。锁模技术使得激光能量在时间上高度集中，是目前获得高峰值功率激光的最先进技术。

      锁模原理：一般非均匀增宽激光器总是产生多纵模。由于各个模式的频率和初相位并无确定的关系，各个模式互不相干，因此多纵模输出的光强是各纵模的非相干叠加。输出光强随时间无规律起伏。锁模使得谐振腔中可能存在的多个纵模同步振荡，让各振荡模的频率间隔保持相等并使得它们的初相位保持为常数，使激光器输出在时间上有规律的等间隔的短脉冲序列。

      锁模技术分为主动锁模和被动锁模。主动锁模：在谐振腔内插入一个调制频率v=c/2L的调制器，对激光输出进行振幅和相位调制，实现各个纵模同步振动。被动锁模：在激光腔内插入一个有饱和吸收特性的染料盒。可饱和吸收特性的染料盒的吸收系数是会随着光强的增强而下降的。激光器内，随着光泵对工作物质的激励，各个纵模都会随机的发生，光场就会由于它们的叠加而在强度上有所起伏。当有些纵模偶然得到相干加强时，出现光强较强的部分，其他部分则较弱。这些较强的部分通过染料，被吸收的少，损耗不大。较弱的部分通过染料被吸收的多，变得更弱。光场多次通过染料的结果，强处和弱处就明显的区分开来了，最终造成这些纵模相干加强处以窄脉冲的形式被选出来。被动锁模对染料盒的光学特性有一定的要求：染料的吸收线要和激光波长很接近；吸收线的线宽要>=激光线宽；弛豫时间短于脉冲在腔内往返一次的时间。