锁模激光器

定义：基于锁模技术发射超短脉冲的激光器

锁模激光器是利用主动或被动锁模技术发射周期性超短脉冲串的激光器。如需了解更多关于锁模技术的细节请参阅锁模一文，本文更侧重于激光器本身。超快激光器一文也给出了一些当前的在超短脉冲产生方向上的发展。

超短脉冲具有一定的带宽，因此产生短脉冲（大多为亚皮秒领域）的锁模激光器需要利用具有大增益带宽的增益介质。此外锁模激光器不能具有太大的非线性和色散，但需要足够的激光发射截面从而避免发生调Q不稳定性。

锁模激光器的种类

从锁模方式来区分，锁模激光器具有以下类型：

1. 在20世纪70年代，利用氩离子激光器作为泵浦的染料激光器被大范围的使用。由于激光染料具有很宽的增益带宽，从而允许产生非常短的脉冲。然而现如今染料激光器已经基本上都被固体激光器所代替，因为后者能够提供类似的甚至更好的性能。
2. 基于离子掺杂晶体或者玻璃的固体激光器是现有的一种主流锁模激光器。它们产生的脉冲具有非常短的脉宽，非常高的脉冲能量，非常大的平均输出功率，可高可低的脉冲重复频率和非常高的脉冲品质。
   
   图 1：一个典型的飞秒锁模固体激光器的谐振腔设置。增益介质由玻璃或晶体制成。棱镜对用于色散补偿，SESAM（半导体可饱和吸收体）则用于实现被动锁模。
3. 光纤激光器也可以锁模产生非常短的脉冲，其具有低成本的特点。详情请参阅锁模光纤激光器一文。但是光纤激光器的输出功率一般较低，因此需要通过使用光纤放大器来获得高功率的锁模激光。超快光纤激光器所得到的脉冲脉宽通常会受到非线性和高阶色散的限制，而不是增益带宽的限制。
4. 利用半导体激光器可以也可以构成锁模半导体激光器，其多用于光纤通信领域。最近，利用光学泵浦的被动锁模VECSELs（垂直外腔面发射激光器）已经可以媲美其他的固体激光器，尤其是需要相对高的输出功率，数GHz的脉冲重复频率，和尽可能短的脉宽的情况下。

锁模激光器的设计

锁模激光器的设计通常是十分复杂的，特别是当设置一些比较特殊的脉冲参数作为目标的时候。在锁模激光器中有多个因素相互影响，包括色散和数种非线性效应，因此改变一个设计参数往往会影响几个因素。（例如，在一个孤子锁模激光器中，改变激光晶体中的模场尺寸或者改变激光器腔长会导致色散和非线性平衡的改变，因此也会改变脉宽。）因此很难同时实现短脉宽，高功率和稳定的锁模。增益介质的一些参数也会导致脉冲参数的限制。一个直接的例子就是具有小增益带宽的增益介质不适合用于短脉冲的产生。另一个更令人惊讶的发现是，锁模固体激光器很难同时具有高脉冲重复率和高平均输出功率，特别是在产生亚皮秒脉冲的时候，这一限制尤为明显。激光器的不稳定性（如调Q锁模），脉冲形状，可饱和吸收体、泵浦激光等因素结合在一起的时候将会对锁模激光器产生各种复杂的影响。

由于以上问题的存在，使得搭建一个锁模激光器需要一个非常系统化的过程，这一过程需要对锁模激光器中的所有相关物理细节具有深刻的定量的理解，并需要对典型的问题有丰富的经验。在进行锁模激光器搭建之前需要有一个十分详细的激光器设计并对一些问题进行定量的研究和检查。如果没有这样的准备，就极有可能会进入一个复杂的困境，而这一困境可能是由于数个问题综合导致的。

锁模激光器的成就

一些被动锁模固体激光器已经具有非常优越的参数，包括：1. 利用克尔透镜锁模实现的钛宝石激光器输出的脉冲可以具有非常短的脉宽（小于10飞秒，仅具有几个光学周期）[6,5]；2. 利用微片激光器实现了平均功率高达80瓦，单脉冲能量高于10μJ的亚皮秒脉冲[14]；3. 利用被动锁模的微型激光器[10，15，20]，或者是谐波锁模的光纤激光器实现了非常高的脉冲重复频率。利用小型激光二极管更是可以得到大于1THz的重复频率[4]。4. 各类激光器（通常是高脉冲重复率的）已经得到了接近量子极限的时域抖动，从而超越了大多数的高品质电子振荡器。

图 2： 基于铒镱共掺玻璃的微型激光器。其重复频率为50 GHz[15]。腔长（从输出耦合镜到SESAM）只有3毫米。一种该井的设置甚至可以达到100 GHz[20]。

利用倾斜腔的高脉冲能量设计

正如倾斜腔一文中介绍的，锁模激光器可以产生高达几个微焦的低重复频率（如100kHz或者1MHz）的高脉冲能量激光。通过在激光谐振器的加入腔倾斜体使得在所述的谐振器内的形成低谐振损耗的高能量脉冲，并利用倾斜体将能量输出。

锁模激光器的典型应用

下面的给出了锁模激光器的一些应用：1. 高能量的锁模激光器被应用与材料加工之中，诸如微机械加工，表面处理，钻孔，三维激光成形。2. 在医疗领域，锁模激光器也被用于激光手术刀或眼科手术之中，也有使用例如光化学效应对于某些皮肤护理。3. 由于具有短脉冲和高峰值功率的特点，锁模激光器广泛应用于各种方法的成像，显微镜和光谱学中。4. 短脉冲应用与时间分辨测量，如集成电子电路上的电光采样测量，或在半导体器件（如半导体可饱和吸收体，即SESAMs）上的泵浦-探测测量。5. 在计量领域，锁模激光器可以用于距离测量和频率计量（计时）等领域。6. 高峰值功率的锁模激光器使得一些非线性频率变换变得容易，从而对激光投影显示器等产生了很大的作用。7. 其他诸如微波，毫米波，太赫兹光学和皮秒光电子等领域之中锁模激光器也有着很大的应用前景。

参考文献

[1] F. Krausz et al., “Femtosecond solid-state lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 28 (10), 2097 (1992)

[2] C. Spielmann et al., “Ultrabroadband femtosecond lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 30 (4), 1100 (1994)

[3] U. Keller, “Ultrafast all-solid-state laser technology”, Appl. Phys. B 58, 347 (1994)

[4] S. Arahira et al., “Mode-locking at very high repetition rates more than terahertz in passively mode-locked distributed-Bragg-reflector laser diodes”, IEEE J. Quantum Electron. 32 (7), 1211 (1996)

[5] U. Morgner et al., “Sub-two cycle pulses from a Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser”, Opt. Lett. 24 (6), 411 (1999)

[6] D. H. Sutter et al., “Semiconductor saturable-absorber mirror-assisted Kerr lens modelocked Ti:sapphire laser producing pulses in the two-cycle regime”, Opt. Lett. 24 (9), 631 (1999)

[7] C. Hönninger et al., “Ultrafast ytterbium-doped bulk lasers and laser amplifiers”, Appl. Phys. B 69 (1), 3 (1999)

[8] R. Paschotta et al., “Progress on all-solid-state passively mode-locked ps and fs lasers”, Proc. SPIE 3616, 2 (1999)

[9] E. Sorokin et al., “Diode-pumped ultra-short-pulse solid-state lasers”, Appl. Phys. B 72, 3 (2001)

[10] L. Krainer et al., “Compact Nd:YVO4 lasers with pulse repetition rates up to 160 GHz”, IEEE J. Quantum Electron. 38 (10), 1331 (2002)

[11] U. Keller, “Recent developments in compact ultrafast lasers”, Nature 424, 831 (2003)

[12] E. Innerhofer et al., “60 W average power in 810-fs pulses from a thin-disk Yb:YAG laser”, Opt. Lett. 28 (5), 367 (2003)

[13] A. Fernandez et al., “Chirped-pulse oscillators: a route to high-power femtosecond pulses without external amplification”, Opt. Lett. 29 (12), 1366 (2004)

[14] F. Brunner et al., “Powerful RGB laser source pumped with a mode-locked thin-disk laser”, Opt. Lett. 29 (16), 1921 (2004)

[15] S. C. Zeller et al., “Passively mode-locked 50-GHz Er:Yb:glass laser”, Electron. Lett. 40 (14), 875 (2004)

[16] R. Paschotta et al., “Picosecond pulse sources with multi-GHz repetition rates and high output power”, New J. Phys. 6, 174 (2004)

[17] E. Sorokin and S. Naumov, “Ultrabroadband infrared solid-state lasers”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 11 (3), 690 (2005)

[18] S. Gee et al., “Self-stabilization of an actively mode-locked semiconductor-based fiber-ring laser for ultralow jitter”, IEEE Photon. Technol. Lett. 19 (7), 498 (2007)

[19] S. V. Marchese et al., “Femtosecond thin disk laser oscillator with pulse energy beyond the 10-microjoule level”, Opt. Express 16 (9), 6397 (2008)

[20] A. E. Oehler et al., “100 GHz passively mode-locked Er:Yb:glass laser at 1.5 μm with 1.6-ps pulses”, Opt. Express 16 (26), 21930 (2008)

[21] P. Sévillano et al., “32-fs Kerr-lens mode-locked Yb:CaGdAlO4 oscillator optically pumped by a bright fiber laser”, Opt. Lett. 39 (20), 6001 (2014)

[22] R. Paschotta and U. Keller, “Passively mode-locked solid-state lasers”, in Solid-State Lasers and Applications (ed. A. Sennaroglu), CRC Press, Boca Raton, FL (2007), Chapter 7, pp. 259–318

[23] R. Paschotta, Field Guide to Laser Pulse Generation, SPIE Press, Bellingham, WA (2007)

[24] For German readers: R. Paschotta, “Ultrakurzpuls-Festkörperlaser – eine vielfältige Familie”, Photonik 01/2006, S. 70