文 / 高晨心、衛(wèi)子琦、趙康俊，清華大學(xué)

在一些研究物質(zhì)超快過程或者對(duì)材料精密控制的領(lǐng)域，如生物光子學(xué)、激光光譜學(xué)、醫(yī)療以及精密微加工等，迫切需要短至皮秒、飛秒量級(jí)的光脈沖。為了解決這個(gè)問題，鎖模技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

鎖模是指將多縱模激光器中各縱模的相位關(guān)系固定，形成等時(shí)間間隔的光脈沖序列。根據(jù)鎖模原理的不同，可以將鎖模分為主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模和自鎖模，在實(shí)際應(yīng)用中它們都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。

主動(dòng)鎖模需要在激光腔中增加（電）調(diào)制器件。射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)調(diào)制器對(duì)腔內(nèi)光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)周期性的幅度或者相位調(diào)制，當(dāng)調(diào)制頻率與縱模間隔相等時(shí)，可實(shí)現(xiàn)鎖模，獲得光脈沖。

主動(dòng)鎖模可分為振幅（損耗）調(diào)制型和相位（頻率）調(diào)制型。振幅調(diào)制鎖模的原理如圖1所示，調(diào)制周期與光在腔內(nèi)運(yùn)行周期相同，使得光在損耗較低處輸出功率大，損耗較高處輸出功率小甚至為零，這樣周期循環(huán)，光脈沖峰值強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，而兩翼強(qiáng)度不斷衰減，從而使脈寬不斷壓縮，最后得到窄脈沖。

圖1 振幅調(diào)制鎖模原理

另外，主動(dòng)鎖模中調(diào)制頻率也可以是腔基頻的N倍，可實(shí)現(xiàn)N次諧波鎖模產(chǎn)生高重復(fù)頻率鎖模脈沖（可至GHz），在數(shù)據(jù)處理以及光通信領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。主動(dòng)鎖模常用于大容量光通信（Nyquist激光器 ）、超寬帶信號(hào)處理，以及用于高速寬譜光頻梳的產(chǎn)生。但主動(dòng)鎖模也同時(shí)存在一些限制因素，比如調(diào)制器件昂貴、輸出脈寬較寬（量級(jí)）以及輸出穩(wěn)定性差等，這些都限制了主動(dòng)鎖模激光器的應(yīng)用。

被動(dòng)鎖模是指在諧振腔中插入可飽和吸收體構(gòu)成鎖模激光器。可飽和吸收體的特點(diǎn)如圖2所示，其透過率隨入射光功率的增強(qiáng)而增大。當(dāng)光脈沖通過可飽和吸收體時(shí)，脈沖中心部分的強(qiáng)度較大，故其透射率高；越靠近邊沿的部分強(qiáng)度越小，所以透射率較低。即脈沖邊沿部分損耗大于中心部分，通過可飽和吸收體后被窄化，在激光腔中多次循環(huán)之后，實(shí)現(xiàn)短脈沖輸出。

圖2 可飽和吸收體的特點(diǎn)

被動(dòng)鎖模使用的可飽和吸收體可以分為自然可飽和吸收體（如石墨烯、碳納米管等）和等效可飽和吸收體（如非線性偏振旋轉(zhuǎn)、非線性放大環(huán)形鏡、非線性光學(xué)環(huán)形鏡等），它們也都有各自的優(yōu)勢(shì)與不足。常見的可飽和吸收體的優(yōu)勢(shì)與不足可見表1。

表1 飽和吸收體的分類表

被動(dòng)鎖模的鎖模過程自發(fā)完成，無需外加調(diào)制信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出脈沖較窄（量級(jí)）。被動(dòng)鎖模可應(yīng)用于其應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)、光譜學(xué)、激光測(cè)距、激光雷達(dá)探測(cè)等。但其鎖模很不穩(wěn)定，鎖模發(fā)生率僅為60%-70%，因此，被動(dòng)鎖模目前還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，市場(chǎng)上現(xiàn)有的鎖模激光器多為主動(dòng)鎖模和自鎖模。不過，研究人員已經(jīng)將智能算法引入被動(dòng)鎖模光纖激光器，通過算法控制激光腔的鎖模和輸出穩(wěn)定，該技術(shù)有望推動(dòng)被動(dòng)鎖模激光器的商用化。另外，被動(dòng)鎖模獲得高次諧波不太容易，而且不可控。

除上述主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模兩種方式以外，還有一種利用激光器中增益工作物質(zhì)自身的非線性克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)鎖模的方式，即自鎖模，其原理如圖3所示。

圖3 自鎖模原理

它通過激活介質(zhì)自身的克爾效應(yīng)產(chǎn)生自聚焦效應(yīng)，將高斯光束聚焦到一個(gè)中心。如果此時(shí)將光闌放在一個(gè)激光光斑尺寸隨強(qiáng)度增大而減少的位置，就可對(duì)光束同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度以及相位的調(diào)制，獲得短脈沖輸出。由于自鎖模只是利用了激光晶體的非線性效應(yīng)及光闌獲得鎖模輸出，而沒有用到其他鎖模原件，因此也可以歸為被動(dòng)鎖模一類。

現(xiàn)有的自鎖模激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗損傷閾值高和波長(zhǎng)范圍廣的優(yōu)勢(shì)，常用在固體激光器中，用于激光測(cè)距、醫(yī)療、雷達(dá)、加工等需要高功率激光輸出的應(yīng)用場(chǎng)景中，但是同樣存在鎖模輸出不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

綜上，我們可以發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)鎖模與被動(dòng)鎖模在原理上的區(qū)別在于是否需要外加調(diào)制。主動(dòng)鎖模需要外加調(diào)制，除卻激光腔外還需要外界輔助；被動(dòng)鎖模直接利用可飽和吸收體的強(qiáng)度調(diào)制性質(zhì)，不需要外界輔助。

主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模和自鎖模三種方式各自的優(yōu)勢(shì)和不足總結(jié)如表2所示。

表2 鎖模的分類表