超快激光通常是指脈衝(chong) 持續時間在皮秒（10^ -12s）或飛秒（10^ -15s）量級的激光，當然阿秒（10^-18s）等脈寬更短的自然也屬於(yu) 超快，隻不過為(wei) 了方便區分，人們(men) 習(xi) 慣直呼其名。而皮秒飛秒脈衝(chong) 的產(chan) 生主要依靠激光鎖模技術。

什麽是激光鎖模

自由運轉的連續激光器輸出包含若幹個(ge) 振幅和相位獨立、隨機的振蕩模式，因而輸出激光的各個(ge) 縱模是非相幹疊加的，輸出光強正比於(yu) 各縱模光強之和；但是當相鄰縱模之間的相位差被鎖定時，由於(yu) 各相鄰模之間的頻率間隔固定，各模的振動方向或方式對於(yu) 一定激光器是相同的，因而使得輸出各縱模是相幹的，輸出的光波是一序列的脈衝(chong) 形式。對於(yu) 每一脈衝(chong) 來說脈寬（脈衝(chong) 持續時間）變窄，峰值功率大大提高，這就是激光鎖模技術。

鎖模原理圖示:圖中出現一係列周期性的脈衝(chong) ，當各光波振幅同時達到最大值處時，由於(yu) “建設性”的幹涉作用，就周期性地出現了極大值。

常見鎖模技術

鎖模方法主要分為(wei) 主動鎖模、被動鎖模、自鎖模等，實驗中比較常見的是SESAM（半導體(ti) 可飽和吸收鏡）鎖模和克爾鎖模（自鎖模）。

· SESAM鎖模原理

可飽和吸收體(ti) 的吸收係數隨著光強逐漸減小，滿足：

Is為(wei) 吸收體(ti) 的飽和吸收光強，光強I大於(yu) Is為(wei) 強信號，小於(yu) Is則為(wei) 弱信號。

可飽和吸收體(ti) 鎖模的三個(ge) 階段

SESAM鎖模主要分為(wei) 三個(ge) 階段，即線性放大階段、非線性吸收階段和非線性放大階段。

線性放大階段: 腔內(nei) 光強比較小，由於(yu) 可飽和吸收體(ti) “欺軟怕硬”的性格使弱信號被吸收得多，受到的損耗大，而稍強的信號則吸收小一些，損耗小，且稍強信號的損耗可通過激光諧振腔工作物質的增益得到補償(chang) 。所以在一個(ge) 周期2L/c（腔長為(wei) L）時間內(nei) ，光脈衝(chong) 通過可飽和吸收體(ti) 和激光介質，其強弱信號的強度相對值就改變一次，激光受到周期性的調製，在腔內(nei) 多次循環後，極大值與(yu) 極小值之差會(hui) 越來越大。弱信號逐步消失，脈衝(chong) 個(ge) 數減少，頻譜變窄。

非線性吸收階段: 光強大於(yu) 飽和吸收光強，強脈衝(chong) 使吸收體(ti) 吸收飽和（漂白）因此強脈衝(chong) 會(hui) 得到大幅度的放大，但弱脈衝(chong) 會(hui) 進一步被吸收抑製掉，最後實現發射脈衝(chong) 變得更窄，頻譜增寬。由於(yu) 一個(ge) 周期2L/c可飽和吸收體(ti) 吸收一次，因此脈衝(chong) 間隔為(wei) c/2L。

非線性放大階段: 脈衝(chong) 前沿相對於(yu) 脈衝(chong) 後沿先到達增益介質，脈衝(chong) 後沿到達時反轉粒子數已被消耗一部分，使得脈衝(chong) 前沿放大的多，脈衝(chong) 後沿放大的少。這樣會(hui) 造成脈衝(chong) 前後沿變陡，脈衝(chong) 進一步壓縮，最後輸出一個(ge) 高強度窄脈寬的脈衝(chong) 序列。

非線性放大階段:脈衝(chong) 變窄

SESAM早期常用於(yu) 產(chan) 生調Q脈衝(chong) ，因此此種鎖模方式很容易產(chan) 生調Q脈衝(chong) 而不是連續穩定的鎖模脈衝(chong) 串，常需要提高腔內(nei) 單脈衝(chong) 能量或降低SESAM和增益介質的飽和能量來實現鎖模，常用的辦法除了提高泵浦功率之外，主要利用凹麵鏡來減小增益介質和SESAM上的光斑大小，從(cong) 而實現調Q鎖模進入連續鎖模。

SESAM鎖模激光器光路:啁啾鏡用於(yu) 色散補償(chang) ，半波片HWP用於(yu) 調整泵浦光偏振，使增益晶體(ti) 吸收最大

· 克爾鎖模

克爾鎖模也稱為(wei) 自鎖模，應用的是增益介質的克爾非線性效應，即激光峰值功率達到GW (10^ 9 W)時，介質折射率n與(yu) 入射激光光強有關(guan) ：

基模高斯光束具有中心光強強，周圍逐漸減弱的特點，因此高斯光束經過增益介質時，中心折射率大，周圍折射率小，使得介質出現類似於(yu) 透鏡的效果，實現光束的聚焦，也就是自聚焦效應。若在高斯光束腰斑附近放一個(ge) 光闌，則光束前後沿的損耗大於(yu) 光束中部的損耗，使得強光占據的中部得以通過放大，而周圍的光束則被損耗。光闌和自聚焦效應的結合可以看成一個(ge) 快飽和吸收體(ti) ，即強光漂白，弱光被損耗，由於(yu) 諧振腔的作用，其調製也是周期性的，使得脈衝(chong) 周期性的輸出。

克爾鎖模原理

1991年，英國聖 • 安德魯斯大學W. Sibbett研究組首次實現克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器，脈寬為(wei) 60fs。在他們(men) 的結構中，BF為(wei) 雙折射濾波片以實現波長調諧，M1和M2為(wei) 凹麵鏡以聚焦振蕩光到鈦寶石晶體(ti) 中心提高光功率密度，P1和P2為(wei) 一對高色散棱鏡，用於(yu) 補償(chang) 增益介質等引入的色散，通過外界的擾動即可實現穩定自鎖模。

首次實現克爾鎖模激光器光路

色散補償

想要獲得飛秒脈衝(chong) ，色散補償(chang) 是十分重要的一環，而色散通常分為(wei) 正常色散和反常色散。正常色散下，光的群速度和頻率成反比，可看成頻率小的光速度大，頻率大的光速度小，因而光在正常色散情況下傳(chuan) 播一段時間後，脈衝(chong) 前沿是低頻，脈衝(chong) 後沿是高頻。例如初始位置相同的紅光和藍光，由於(yu) 藍光頻率大，紅光頻率小，在正常色散中傳(chuan) 播一段時間後紅光在前藍光在後，從(cong) 而造成脈衝(chong) 展寬，在鎖模激光器中，由於(yu) 增益介質的影響會(hui) 引入色散，使得脈衝(chong) 展寬，必須進行色散補償(chang) 壓縮脈衝(chong) ，才能實現超短脈衝(chong) 的輸出。

正常色散脈衝(chong) 展寬圖示

同理，反常色散中光的群速度同頻率成正比，可等效為(wei) 頻率小的光速度小，頻率大的光速度大。初始位置相同的紅光和藍光在反常色散介質中傳(chuan) 播一段時間之後紅光在厚藍光在前，從(cong) 而造成脈衝(chong) 展寬。

反常色散脈衝(chong) 展寬圖示

如果我們(men) 同時考慮兩(liang) 種色散，經過正常色散介質展寬的脈衝(chong) 再通過等量色散的反常色散介質則可實現色散補償(chang) ，實現脈衝(chong) 的壓縮，這就是鎖模激光器中色散補償(chang) 的機理。

· 常見色散補償(chang) 方法

棱鏡對壓縮脈衝(chong) ：利用棱鏡的色散原理可實現脈衝(chong) 壓縮，棱鏡色散使不同頻率的光分離，當不同頻率的光穿過棱鏡的厚度不同時會(hui) 引入不同的延時，實現色散補償(chang) 。舉(ju) 個(ge) 栗子，經正常色散展寬後的脈衝(chong) 通過棱鏡對時，可通過擺放方式使得低頻光穿過棱鏡的厚度更大，高頻光穿過棱鏡的厚度更小，這樣使得低頻光穿過棱鏡所需時間更長，合理設計穿透的厚度即可實現脈衝(chong) 的壓縮。

雙棱鏡對壓縮脈衝(chong) 原理

啁啾鏡壓縮脈衝(chong) ：通過在啁啾鏡表麵鍍不同中心波長反射膜，使得不同中心波長的光穿透深度不同，從(cong) 而引入不同的延時，例如經過正常色散的光到達啁啾鏡時，可使低頻光穿透深度更大，高頻光穿透深度更小，即可使得低頻光延時大於(yu) 高頻光，從(cong) 而實現色散補償(chang) 。根據係統的總色散量精密的計算鍍膜的層數和厚度，啁啾鏡可實現超寬光譜的色散補償(chang) ，即可實現周期量級的超短脈衝(chong) 。

此外，通常脈寬和光譜寬度成反比關(guan) 係，對於(yu) 超快激光而言，其脈寬極窄，因而光譜寬度較大，飛秒量級的激光其波長可覆蓋幾十到幾百納米，自然不再滿足激光單色性。但是，脈衝(chong) 的峰值功率等於(yu) 單脈衝(chong) 能量比上脈寬，也就是說飛秒脈衝(chong) 的峰值功率很高，可達GW量級，采用啁啾脈衝(chong) 放大技術（CPA）可達PW量級。

(來源：知乎/作者：一覺睡到小時候)