多模激光器

定義

多模激光器是指同時(shí)產(chǎn)生兩個或多個模發(fā)射光的激光器。

在有幾個縱模同時(shí)振蕩的激光器中，可觀察到在單模激光器中未曾見到的一些效應(yīng)。由于至今還沒有提出一種“完善”處理多模激光器飽和效應(yīng)的方法，因此一般情況下限于討論蘭姆的“三級”解，但即使在這種限制下，理論也是十分復(fù)雜的。通過對一個“三?！奔す馄鞯难芯?，可以確定氣體激光器多模振蕩的主要特點(diǎn)。在三模激光器中，場系由三個單色振蕩組成，它們的頻率分別等于或接近于諧振腔的三個共振頻率1。

設(shè)計(jì)原則

多模激光器的設(shè)計(jì)不同于單模激光器，一般選擇較大的放電管內(nèi)徑，降低高階模的衍射耗以獲得大功率輸出2。

輸出特性

未經(jīng)鎖模狀態(tài)

首先討論未經(jīng)鎖模的所謂多縱模自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出特性。腔長為L的激光器，可知其縱模的頻率間隔，自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包括若干個超過閾值的縱模，這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時(shí)間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值。

假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有N個縱模，那么，激光器輸出的光波電場是N個縱橫電場的和。在一般情況下，這N個縱模的相位之間是無關(guān)的，即它們之間在時(shí)間上相互沒有關(guān)聯(lián)，完全是獨(dú)立的、隨機(jī)的。另一方面，各縱模的相位本身受到激光工作物質(zhì)及腔長的熱變形，泵浦能量的變動等各種不規(guī)則擾動的影響，還會產(chǎn)生各自的漂移，即它們在時(shí)間軸上是不穩(wěn)定的。這樣就破壞了各橫縱模之間的相干條件，所以激光輸出的總光場是各個不同頻率光場的無規(guī)則疊加的結(jié)果，其光場強(qiáng)度也隨時(shí)間無規(guī)則起伏。

鎖模狀態(tài)

如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的相位相互聯(lián)系起來，使之有一確定的關(guān)系，那么就會出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象：激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖。這就是說，該激光器各模的相位已按照常數(shù)關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱為鎖模技術(shù)。

模式鎖定

鎖模的基本原理

要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈沖，只有采用鎖模的方法，即使各縱模相鄰頻率間隔相等并固定時(shí)，這一點(diǎn)在單橫模的激光器中是能實(shí)現(xiàn)的。需分析激光輸出與相位鎖定的關(guān)系，為方便起見，可設(shè)多模激光器的所有振蕩模均具有相等的振幅，超過閾值的縱模共有2N+1個，處在介質(zhì)增益曲線中心的模，其角頻率為，初相位為0，其模序數(shù)q=0，即以中心模作為參考，各相鄰模的相位差為α，及其模頻率間隔，第q個振蕩模，則可得到激光器輸出總光場是2N+1個縱橫相干的結(jié)果3。

鎖模的方法

鎖模最早是在He-Ne激光器內(nèi)用聲光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的，后在氬離子、二氧化碳、紅寶石、釔鋁石榴石等其他激光器中都用內(nèi)調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)鎖模。后來又出現(xiàn)了可飽和吸收染料鎖模。隨著鎖模技術(shù)的發(fā)展，推動了超短脈沖測試技術(shù)的發(fā)展，后來又反過來推動了鎖模技術(shù)的發(fā)展。1968年開始的橫模鎖定的研究，隨后又進(jìn)行了縱橫模同時(shí)鎖定的探討。70年代開發(fā)了主動加被動、雙鎖模（損耗調(diào)制加相位調(diào)制）、鎖模加調(diào)Q及同步鎖模等技術(shù)的研究。3

1.主動鎖模

主動鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法。其依據(jù)是，利用諧振腔內(nèi)的一個受外部信號控制的調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性地改變諧振腔的損耗或光程（振幅調(diào)制和相位調(diào)制）。當(dāng)選擇的調(diào)制頻率與縱模的間隔相等時(shí)，對多個模的調(diào)制會產(chǎn)生邊帶，其頻率與兩個相鄰縱模的頻率一致。由于模之間的相互作用，使所有的模在足夠強(qiáng)的調(diào)制下達(dá)到同步，形成鎖模序列脈沖3。

2.被動鎖模

產(chǎn)生超短脈沖的另一種有效方法是被動鎖模。此方法是把可飽和吸收體放在激光諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)的?？娠柡臀阵w是一種非線性介質(zhì)，對腔內(nèi)激光的吸收是隨光場強(qiáng)度而變化的，當(dāng)光場較弱時(shí)對光吸收很強(qiáng)，因此光透過率很低；隨著激光強(qiáng)度增加吸收減少，當(dāng)達(dá)到一個特定值時(shí)吸收飽和光透過率達(dá)100%，使強(qiáng)度最大的激光脈沖經(jīng)受最小的損耗，從而得到很強(qiáng)的鎖模脈沖。它類似于被動Q開關(guān)，但又有區(qū)別，被動鎖模要求可飽和吸收體的上能級壽命特別短3。

3.自鎖模

若激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個振蕩縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系，不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件就可以實(shí)現(xiàn)縱模鎖定的方法稱為自鎖模3。

4.同步泵浦鎖模

主動鎖模是通過周期性調(diào)制諧振腔的損耗或光程來實(shí)現(xiàn)的。如果要通過周期性的調(diào)制諧振腔的增益來實(shí)現(xiàn)鎖模，則可以采用一臺主動鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺激光器來獲得。這種方式就是同步泵浦鎖模。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于周期性泵浦時(shí)可獲得比泵浦脈沖寬度小得多的脈沖。此外，在同步泵浦染料激光器中，產(chǎn)生的超短脈沖的頻率在一定的波長范圍內(nèi)是可連續(xù)的3。