導敘

以連續波模式工作的激光器的輸出功率不隨時間變化。這是由於(yu) 激光器達到了一種激光腔增益（取決(jue) 於(yu) 與(yu) 泵浦速率成正比的粒子數反轉）和損耗（包含腔損耗和受激輻射速率）保持平衡的穩態條件。由於(yu) 能夠顯著提高峰值輸出功率，所以通常希望激光器可以工作在脈衝(chong) 模式。可以將連續激光輸出發送至外部調製器來實現脈衝(chong) 激光運轉，調製器充當一個(ge) 隻在短時間內(nei) 允許透過的開關(guan) （見圖 1，左）。這種簡單的方法有許缺點。由於(yu) 大多數光被調製器阻擋，該方法的效率很低。

此外，峰值功率永遠不會(hui) 超過連續光源的平均功率。脈寬還受到調製器速度限製。更為(wei) 有效的方法是采用內(nei) 部的腔內(nei) 調製過程（見圖 1，右）。通過在腔內(nei) 調製增益或者損耗，激光發射過程能夠被有效地開啟和關(guan) 閉。能量既可以儲(chu) 存在激光介質中，作為(wei) 能夠快速釋放從(cong) 而實現激光發射的大粒子數反轉，也可以保持在諧振腔內(nei) 直到被允許逸出。這些方法可使脈衝(chong) 激光輸出的峰值功率明顯超過連續激光器所能提供的。接下來討論使用內(nei) 部調製實現激光脈衝(chong) 的最常見的方法。

圖 1 使用外部調製器（左）和內(nei) 部調製器（右）實現脈衝(chong) 激光輸出的對比 [1]。

增益開關(guan)

對於(yu) 穩態激光，增益保持在一個(ge) 閾值上，因為(wei) 受激輻射耗盡粒子數反轉的速率與(yu) 通過泵浦產(chan) 生粒子數反轉的速率相當。然而，如果增益介質的泵浦速率遠快於(yu) 穩態值，就會(hui) 產(chan) 生被稱作增益開關(guan) 的瞬態效應 。這種情況下，激光腔內(nei) 粒子數反轉（以及增益係數）建立的速率要比受激輻射速率快得多。腔內(nei) 的光子經曆巨大增益，導致激光強度的快速增加。這反過來引起了快速耗盡粒子數反轉的顯著的受激輻射。結果就是產(chan) 生短脈衝(chong) 光（見圖 2）。增益開關(guan) 是一種通過打開和關(guan) 閉泵浦源來控製增益的調製方法。這可以通過閃光燈泵浦來完成，能夠產(chan) 生微秒到毫秒範圍的脈衝(chong) 。由於(yu) 調製泵浦用電流非常簡單，增益開關(guan) 最常應用在半導體(ti) 激光器中。這可以產(chan) 生從(cong) 納秒到幾十皮秒的脈衝(chong) ，重複頻率高達數吉赫茲(zi) 。這種方法常用來產(chan) 生用於(yu) 光通信的激光源 ，光通信中希望有高重複頻率來提升單位時間內(nei) 通過的信息量。

圖 2 用於(yu) 產(chan) 生脈衝(chong) 激光的各種調製方法的示意圖，其中損耗（紅色）、增益（綠色）和激光輸出（藍色）為(wei) 時間的函數。

Q開關(guan)

Q 開關(guan) 也涉及到在激光增益介質中存儲(chu) 能量，但不是通過調製泵浦源來存儲(chu) 。在確保腔體(ti) 損耗很大的前提下，允許激光泵浦過程產(chan) 生遠遠超過典型閾值的粒子數反轉，這可以阻止激光振蕩 。通過在激光腔內(nei) 添加損耗來實現光學反饋抑製。實現大的反轉之後，腔內(nei) 反饋重新開啟。然後激光經曆大大超過損耗的增益，存儲(chu) 的能量以超短高強的光脈衝(chong) 釋放（見圖 2）。品質因數（Q）是腔內(nei) 存儲(chu) 能量與(yu) 每一次能量損耗的比值。由於(yu) 這種調製方法將腔的Q 值從(cong) 一個(ge) 低值切換到一個(ge) 高值，因此將其定義(yi) 為(wei) Q 開關(guan) 。調 Q 器件必須能夠快速調節腔的Q 值以產(chan) 生短脈衝(chong) ，通常可以分成主動和被動兩(liang) 類。主動器件需要外部操作來引入調製，包括聲光開關(guan) 、電光快門和轉鏡。被動器件基於(yu) 元件的非線性光學響應實現自動切換，比如有機染料或者半導體(ti) 中的可飽和吸收。調 Q 能夠產(chan) 生大能量的納秒激光脈衝(chong) ，脈衝(chong) 能量可達到毫焦量級甚至更高。它們(men) 工作的重複頻率在數赫茲(zi) 到千赫茲(zi) 量級之間 。

腔倒空

與(yu) 上述通過粒子數反轉在激光介質中存儲(chu) 能量的技術相比，腔倒空將能量存儲(chu) 在諧振腔內(nei) 的光子中。保持腔鏡的透過率小到可以忽略，則諧振腔內(nei) 的損耗在一段時間內(nei) 保持在很低的水平，可有效束縛腔內(nei) 的光子，發射一個(ge) 強脈衝(chong) 。在一個(ge) 來回之後通過切換內(nei) 腔元件將這個(ge) 脈衝(chong) 引出，從(cong) 腔中“傾(qing) 倒”出去（見圖 2）。光學開關(guan) 通常為(wei) 聲光調製器或者電光快門。腔倒空之於(yu) 調 Q 的一個(ge) 優(you) 勢在於(yu) 後者在脈衝(chong) 重複頻率增加時需要同時增加脈寬，而腔倒空可以允許非常高的重複頻率，比如數兆赫茲(zi) ，同時保持幾納秒的脈寬。為(wei) 了得到高於(yu) 其他技術的脈衝(chong) 能量，可以將腔倒空與(yu) 其他脈衝(chong) 產(chan) 生技術相結合。

鎖模

上述脈衝(chong) 產(chan) 生技術輸出的脈衝(chong) 局限在幾納秒量級。為(wei) 了獲得脈寬低至數飛秒的超短脈衝(chong) ，利用一種被稱作鎖模的技術，其中腔內(nei) 損耗在激光脈衝(chong) 的往返時間內(nei) 進行周期性調製。與(yu) 其他基於(yu) 激光腔內(nei) 瞬態效應的方法不同，鎖模是一個(ge) 動態穩態過程。許多縱模參與(yu) 激光發射過程，但是在到達腔鏡時彼此相位不一定相同，使得輸出功率隨機波動。但是，如果這些激光模式能夠被耦合到一起使其在腔鏡處同相，就會(hui) 發生相長幹涉和相消幹涉，從(cong) 而產(chan) 生超短脈衝(chong) （見圖 3）。這些模式的耦合是使用一個(ge) 非常快速的內(nei) 腔快門來實現的，快門在激光脈衝(chong) 的往返間隔內(nei) 工作，有效地協調這些模式的到達時間，從(cong) 而鎖定它們(men) 的相位。像調 Q 一樣，鎖模器件可以是主動的或被動的。主動器件需要外部調製，包括各種強度和相位調製器。被動器件依賴於(yu) 適當材料的非線性光學效應，包括慢速、快速可飽和吸收以及與(yu) 強度相關(guan) 的折射率變化。

圖 3 激光頻率的相位鎖定產(chan) 生超短脈衝(chong)

增益帶寬內(nei) 的所有縱模可以同時發射激光，從(cong) 而產(chan) 生 NΔν 的激光帶寬。如果這些模式一起鎖定為(wei) 同相，會(hui) 彼此幹涉，產(chan) 生一係列時間上分離的強脈衝(chong) ，其行為(wei) 類似周期函數的傅裏葉分量 。如圖 4 所示，脈衝(chong) 的時間間隔僅(jin) 為(wei) 頻率間隔的倒數（也就是 1/Δν），根據典型腔長，這個(ge) 值約為(wei) 1—10 ns。此外，根據時間 -帶寬傅裏葉關(guan) 係，脈寬 (τ) 與(yu) 激光帶寬的倒數成正比。由於(yu) 激光帶寬主要決(jue) 定於(yu) 介質的增益帶寬，最窄的脈衝(chong) 由增益帶寬最大的激光器產(chan) 生。鎖模固體(ti) 激光器的脈寬範圍通常為(wei) 30 fs 到 30 ps，工作在高重複頻率下，如兆赫茲(zi) 到吉赫茲(zi) ，產(chan) 生中等脈衝(chong) 能量，如皮焦耳到數十納焦耳。結合腔倒空或者再生放大，以重複頻率為(wei) 代價(jia) （通常是千赫茲(zi) ），可能實現更大的脈衝(chong) 能量（如達到幾毫焦耳）。

圖 4 鎖模激光器的頻域（上）和時域（下）圖，插圖所示為(wei) 時間與(yu) 帶寬的關(guan) 係