脈沖(chong)激光的(de)實(shi)現(xian)方法(fa)

導(dao)敘(xu)

以(yi)連續波模式工(gong)作(zuo)的(de)激(ji)光器的(de)輸出功(gong)率(lv)不隨(sui)時(shi)間(jian)變(bian)化。這是(shi)由於激(ji)光(guang)器達(da)到了壹(yi)種(zhong)激(ji)光(guang)腔(qiang)增益(yi)（取決於與泵(beng)浦(pu)速(su)率成正(zheng)比(bi)的(de)粒(li)子數(shu)反轉）和損(sun)耗（包含(han)腔(qiang)損(sun)耗和受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)速率(lv)）保持平衡的(de)穩態條件。由於能(neng)夠顯(xian)著(zhu)提高峰(feng)值(zhi)輸出功(gong)率(lv)，所(suo)以通(tong)常(chang)希望激光器可以工(gong)作(zuo)在(zai)脈(mai)沖(chong)模式。可以將(jiang)連續激光輸出發(fa)送(song)至外部(bu)調(tiao)制器來(lai)實現(xian)脈沖激光運(yun)轉，調制(zhi)器充當(dang)壹(yi)個只在(zai)短時(shi)間(jian)內允(yun)許(xu)透過(guo)的(de)開(kai)關（見(jian)圖(tu) 1，左(zuo)）。這種簡(jian)單的(de)方法(fa)有許(xu)缺點。由於大(da)多(duo)數(shu)光被(bei)調(tiao)制(zhi)器阻(zu)擋(dang)，該方法(fa)的(de)效(xiao)率很(hen)低(di)。

此(ci)外，峰(feng)值(zhi)功率永遠(yuan)不會(hui)超過(guo)連續光源的(de)平均(jun)功(gong)率(lv)。脈(mai)寬還受(shou)到(dao)調制(zhi)器速度限制(zhi)。更(geng)為(wei)有效的(de)方法(fa)是(shi)采(cai)用內部(bu)的(de)腔(qiang)內調(tiao)制過(guo)程（見圖 1，右(you)）。通(tong)過(guo)在(zai)腔(qiang)內調(tiao)制增(zeng)益(yi)或(huo)者(zhe)損(sun)耗，激光(guang)發(fa)射(she)過程(cheng)能(neng)夠被(bei)有效地開(kai)啟(qi)和(he)關(guan)閉(bi)。能量既(ji)可(ke)以(yi)儲(chu)存(cun)在(zai)激(ji)光(guang)介質(zhi)中，作(zuo)為(wei)能夠快速釋放(fang)從(cong)而實現(xian)激光發射(she)的(de)大(da)粒(li)子數(shu)反轉，也(ye)可(ke)以保持在(zai)諧(xie)振(zhen)腔(qiang)內直到被(bei)允(yun)許(xu)逸出。這些方法(fa)可使(shi)脈沖(chong)激(ji)光(guang)輸出的(de)峰(feng)值功(gong)率(lv)明(ming)顯(xian)超(chao)過(guo)連續激光器所(suo)能提供的(de)。接(jie)下(xia)來(lai)討(tao)論使(shi)用內部(bu)調(tiao)制實現(xian)激光脈沖的(de)最常(chang)見的(de)方法(fa)。

圖(tu) 1 使(shi)用外部(bu)調(tiao)制器（左(zuo)）和內部(bu)調(tiao)制器（右(you)）實(shi)現(xian)脈沖激光輸出的(de)對(dui)比(bi) [1]。

增(zeng)益(yi)開(kai)關

對(dui)於(yu)穩態激(ji)光(guang)，增益(yi)保持在(zai)壹(yi)個閾(yu)值上，因為(wei)受激(ji)輻(fu)射(she)耗盡粒(li)子數(shu)反轉的(de)速(su)率與通(tong)過(guo)泵(beng)浦(pu)產(chan)生(sheng)粒(li)子數(shu)反轉的(de)速(su)率相當(dang)。然(ran)而，如果(guo)增(zeng)益(yi)介質(zhi)的(de)泵(beng)浦(pu)速(su)率遠(yuan)快於(yu)穩態值(zhi)，就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)被(bei)稱(cheng)作(zuo)增益(yi)開(kai)關的(de)瞬(shun)態效應(ying) 。這種情(qing)況下(xia)，激光(guang)腔(qiang)內粒(li)子數(shu)反轉（以及增(zeng)益(yi)系數(shu)）建(jian)立的(de)速(su)率要比(bi)受(shou)激輻(fu)射(she)速率(lv)快(kuai)得多(duo)。腔(qiang)內的(de)光(guang)子經(jing)歷巨(ju)大(da)增益(yi)，導(dao)致(zhi)激光(guang)強度(du)的(de)快(kuai)速增(zeng)加(jia)。這反過來(lai)引起(qi)了快速(su)耗盡粒(li)子數(shu)反轉的(de)顯(xian)著(zhu)的(de)受(shou)激輻(fu)射(she)。結果(guo)就(jiu)是(shi)產(chan)生(sheng)短脈沖光（見(jian)圖(tu) 2）。增(zeng)益(yi)開(kai)關是(shi)壹(yi)種(zhong)通(tong)過(guo)打(da)開(kai)和關(guan)閉(bi)泵(beng)浦(pu)源(yuan)來(lai)控制(zhi)增(zeng)益(yi)的(de)調(tiao)制方法(fa)。這可以(yi)通過(guo)閃光(guang)燈泵(beng)浦(pu)來(lai)完成(cheng)，能(neng)夠產(chan)生(sheng)微秒到(dao)毫秒範圍(wei)的(de)脈(mai)沖。由於調(tiao)制(zhi)泵(beng)浦(pu)用(yong)電(dian)流(liu)非(fei)常(chang)簡(jian)單，增益(yi)開(kai)關最常(chang)應(ying)用在(zai)半(ban)導(dao)體(ti)激光器中。這可以(yi)產(chan)生(sheng)從(cong)納(na)秒到(dao)幾(ji)十皮(pi)秒的(de)脈(mai)沖，重(zhong)復(fu)頻率(lv)高達(da)數(shu)吉赫(he)茲。這種方法(fa)常(chang)用來(lai)產(chan)生(sheng)用於(yu)光通(tong)信的(de)激(ji)光源(yuan) ，光(guang)通(tong)信中希望有高重(zhong)復(fu)頻率(lv)來(lai)提升單(dan)位(wei)時(shi)間(jian)內通(tong)過的(de)信息(xi)量(liang)。

圖(tu) 2 用(yong)於產(chan)生(sheng)脈沖(chong)激光(guang)的(de)各(ge)種(zhong)調(tiao)制(zhi)方法(fa)的(de)示意(yi)圖(tu)，其中損(sun)耗（紅色）、增(zeng)益(yi)（綠(lv)色(se)）和激光(guang)輸出（藍(lan)色(se)）為(wei)時(shi)間(jian)的(de)函(han)數(shu)。

Q開(kai)關

Q 開(kai)關也(ye)涉及到(dao)在(zai)激(ji)光(guang)增(zeng)益(yi)介質(zhi)中存(cun)儲(chu)能(neng)量(liang)，但不是(shi)通(tong)過調(tiao)制泵(beng)浦(pu)源(yuan)來(lai)存(cun)儲(chu)。在(zai)確(que)保腔(qiang)體損(sun)耗很(hen)大(da)的(de)前(qian)提下(xia)，允(yun)許(xu)激(ji)光(guang)泵(beng)浦(pu)過(guo)程產(chan)生(sheng)遠(yuan)遠(yuan)超過(guo)典型閾(yu)值的(de)粒(li)子數(shu)反轉，這可以(yi)阻(zu)止(zhi)激(ji)光(guang)振(zhen)蕩(dang) 。通(tong)過在(zai)激(ji)光(guang)腔(qiang)內添(tian)加損(sun)耗來(lai)實現(xian)光學反饋抑制。實現(xian)大(da)的(de)反轉之後(hou)，腔(qiang)內反饋重(zhong)新(xin)開(kai)啟(qi)。然(ran)後(hou)激光(guang)經(jing)歷大(da)大(da)超過(guo)損(sun)耗的(de)增(zeng)益(yi)，存(cun)儲(chu)的(de)能(neng)量以(yi)超(chao)短高強的(de)光(guang)脈沖(chong)釋放(fang)（見(jian)圖 2）。品質(zhi)因數(shu)（Q）是(shi)腔(qiang)內存(cun)儲(chu)能(neng)量(liang)與每壹(yi)次(ci)能量(liang)損(sun)耗的(de)比(bi)值(zhi)。由於這種調(tiao)制方法(fa)將(jiang)腔(qiang)的(de)Q 值(zhi)從(cong)壹(yi)個低值(zhi)切換(huan)到(dao)壹(yi)個高值(zhi)，因此將(jiang)其(qi)定義為(wei) Q 開(kai)關。調(tiao) Q 器件必須(xu)能(neng)夠快速調節(jie)腔(qiang)的(de)Q 值(zhi)以產(chan)生(sheng)短脈沖，通常(chang)可以(yi)分成主(zhu)動(dong)和(he)被(bei)動(dong)兩(liang)類。主(zhu)動(dong)器件需(xu)要外部(bu)操(cao)作(zuo)來(lai)引入(ru)調(tiao)制(zhi)，包括聲(sheng)光開(kai)關、電(dian)光(guang)快(kuai)門和轉鏡。被(bei)動(dong)器件基(ji)於元件的(de)非(fei)線性光(guang)學(xue)響(xiang)應(ying)實現(xian)自(zi)動切(qie)換，比(bi)如(ru)有機染料或(huo)者半(ban)導(dao)體中的(de)可(ke)飽和(he)吸收(shou)。調 Q 能(neng)夠產(chan)生(sheng)大(da)能量(liang)的(de)納(na)秒激(ji)光脈(mai)沖，脈沖(chong)能量可(ke)達(da)到毫焦量級甚至(zhi)更(geng)高(gao)。它們(men)工(gong)作(zuo)的(de)重(zhong)復(fu)頻率(lv)在(zai)數(shu)赫茲(zi)到千赫茲量級(ji)之(zhi)間 。

與上(shang)述(shu)通過粒(li)子數(shu)反轉在(zai)激(ji)光(guang)介質(zhi)中存(cun)儲(chu)能(neng)量(liang)的(de)技(ji)術(shu)相比(bi)，腔(qiang)倒空(kong)將(jiang)能(neng)量存(cun)儲(chu)在(zai)諧(xie)振(zhen)腔(qiang)內的(de)光(guang)子中。保持腔(qiang)鏡的(de)透過(guo)率小(xiao)到(dao)可(ke)以(yi)忽略，則諧振(zhen)腔(qiang)內的(de)損(sun)耗在(zai)壹(yi)段(duan)時(shi)間(jian)內保持在(zai)很(hen)低(di)的(de)水(shui)平，可有效束縛(fu)腔(qiang)內的(de)光(guang)子，發(fa)射(she)壹(yi)個強脈(mai)沖。在(zai)壹(yi)個來(lai)回之(zhi)後(hou)通過(guo)切換(huan)內腔(qiang)元件將(jiang)這個脈沖(chong)引出，從(cong)腔(qiang)中“傾(qing)倒"出去（見圖(tu) 2）。光(guang)學開(kai)關通(tong)常(chang)為(wei)聲光(guang)調(tiao)制器或者電(dian)光(guang)快(kuai)門。腔(qiang)倒空(kong)之於調 Q 的(de)壹(yi)個優勢(shi)在(zai)於(yu)後(hou)者在(zai)脈(mai)沖(chong)重(zhong)復(fu)頻率(lv)增加時(shi)需(xu)要同(tong)時(shi)增(zeng)加(jia)脈寬，而腔(qiang)倒空(kong)可以允(yun)許(xu)非(fei)常(chang)高的(de)重(zhong)復(fu)頻率(lv)，比(bi)如(ru)數(shu)兆赫(he)茲(zi)，同(tong)時(shi)保持幾(ji)納(na)秒的(de)脈(mai)寬。為(wei)了得到(dao)高(gao)於其他(ta)技(ji)術(shu)的(de)脈(mai)沖能(neng)量(liang)，可(ke)以(yi)將(jiang)腔(qiang)倒空(kong)與其(qi)他(ta)脈沖產(chan)生(sheng)技(ji)術(shu)相結(jie)合(he)。

上(shang)述脈(mai)沖(chong)產(chan)生(sheng)技(ji)術(shu)輸出的(de)脈(mai)沖局限在(zai)幾(ji)納(na)秒量(liang)級。為(wei)了獲得(de)脈寬低至(zhi)數(shu)飛秒的(de)超(chao)短脈沖，利用(yong)壹(yi)種(zhong)被(bei)稱(cheng)作(zuo)鎖(suo)模的(de)技(ji)術(shu)，其中腔(qiang)內損(sun)耗在(zai)激(ji)光(guang)脈(mai)沖的(de)往返時(shi)間(jian)內進(jin)行周(zhou)期(qi)性調(tiao)制(zhi)。與其(qi)他(ta)基於激(ji)光(guang)腔(qiang)內瞬(shun)態效應(ying)的(de)方法(fa)不同(tong)，鎖(suo)模是(shi)壹(yi)個動態(tai)穩態過(guo)程(cheng)。許(xu)多(duo)縱模參與激(ji)光(guang)發射(she)過程(cheng)，但(dan)是(shi)在(zai)到(dao)達(da)腔(qiang)鏡時(shi)彼(bi)此(ci)相位(wei)不壹(yi)定(ding)相同(tong)，使(shi)得(de)輸出功(gong)率(lv)隨(sui)機波動。但(dan)是(shi)，如(ru)果這些激光(guang)模式能夠被(bei)耦合(he)到壹(yi)起(qi)使(shi)其(qi)在(zai)腔(qiang)鏡處同(tong)相，就(jiu)會(hui)發生(sheng)相長(chang)幹(gan)涉和(he)相消(xiao)幹(gan)涉，從(cong)而產(chan)生(sheng)超短脈沖（見圖(tu) 3）。這些模式的(de)耦合(he)是(shi)使(shi)用壹(yi)個非(fei)常(chang)快速(su)的(de)內腔(qiang)快門來(lai)實現(xian)的(de)，快(kuai)門在(zai)激(ji)光(guang)脈(mai)沖的(de)往返間(jian)隔內工(gong)作(zuo)，有效地協調這些模式的(de)到(dao)達(da)時(shi)間(jian)，從(cong)而鎖(suo)定它們(men)的(de)相位(wei)。像(xiang)調 Q 壹(yi)樣(yang)，鎖(suo)模器件可(ke)以是(shi)主(zhu)動(dong)的(de)或(huo)被(bei)動(dong)的(de)。主(zhu)動(dong)器件需(xu)要外部(bu)調(tiao)制，包括各(ge)種(zhong)強度(du)和相位(wei)調(tiao)制器。被(bei)動(dong)器件依(yi)賴(lai)於(yu)適(shi)當(dang)材(cai)料的(de)非(fei)線性光(guang)學(xue)效應(ying)，包括慢速、快速可(ke)飽和(he)吸收(shou)以及與強度(du)相關(guan)的(de)折(zhe)射(she)率變(bian)化。

圖(tu) 3 激(ji)光頻率(lv)的(de)相位(wei)鎖(suo)定產(chan)生(sheng)超短脈沖

增(zeng)益(yi)帶(dai)寬內的(de)所(suo)有縱模可以(yi)同(tong)時(shi)發(fa)射(she)激光(guang)，從(cong)而產(chan)生(sheng) NΔν 的(de)激(ji)光帶(dai)寬。如果(guo)這些模式壹(yi)起(qi)鎖(suo)定為(wei)同(tong)相，會(hui)彼此(ci)幹(gan)涉，產(chan)生(sheng)壹(yi)系列時(shi)間(jian)上(shang)分離的(de)強脈(mai)沖，其(qi)行為(wei)類似周(zhou)期(qi)函(han)數(shu)的(de)傅(fu)裏葉(ye)分量 。如(ru)圖 4 所(suo)示，脈沖的(de)時(shi)間(jian)間(jian)隔僅為(wei)頻率(lv)間隔的(de)倒(dao)數(shu)（也(ye)就(jiu)是(shi) 1/Δν），根據典型腔(qiang)長，這個值約(yue)為(wei) 1—10 ns。此(ci)外，根據時(shi)間(jian) -帶(dai)寬傅裏(li)葉(ye)關(guan)系，脈寬 (τ) 與激(ji)光(guang)帶(dai)寬的(de)倒(dao)數(shu)成正(zheng)比(bi)。由於激(ji)光(guang)帶(dai)寬主(zhu)要決定(ding)於介質(zhi)的(de)增(zeng)益(yi)帶(dai)寬，最窄的(de)脈(mai)沖由增益(yi)帶(dai)寬最大(da)的(de)激(ji)光器產(chan)生(sheng)。鎖(suo)模固體(ti)激(ji)光器的(de)脈(mai)寬範圍(wei)通常(chang)為(wei) 30 fs 到(dao) 30 ps，工(gong)作(zuo)在(zai)高(gao)重(zhong)復(fu)頻率(lv)下(xia)，如兆赫(he)茲(zi)到吉(ji)赫茲，產(chan)生(sheng)中等(deng)脈沖能(neng)量，如(ru)皮(pi)焦耳到數(shu)十納(na)焦(jiao)耳。結合(he)腔(qiang)倒空(kong)或者再生(sheng)放大(da)，以重(zhong)復(fu)頻率(lv)為(wei)代價（通(tong)常(chang)是(shi)千(qian)赫茲(zi)），可能(neng)實現(xian)更(geng)大(da)的(de)脈(mai)沖能(neng)量(liang)（如(ru)達(da)到幾(ji)毫焦耳）。

圖(tu) 4 鎖(suo)模激光(guang)器的(de)頻域(yu)（上）和時(shi)域(yu)（下(xia)）圖，插(cha)圖(tu)所(suo)示為(wei)時(shi)間(jian)與帶(dai)寬的(de)關(guan)系

森(sen)泉為(wei)您的(de)科(ke)研事(shi)業(ye)添(tian)磚(zhuan)加(jia)瓦：

1）  激(ji)光控(kong)制(zhi)：激(ji)光電(dian)流(liu)源、激(ji)光器溫(wen)控器、激光器控制、伺服(fu)設(she)備與系統(tong)等等

2）  探(tan)測(ce)器：光電(dian)探(tan)測(ce)器、單光子計(ji)數(shu)器、單光子探(tan)測(ce)器、CCD、光(guang)譜分析系統(tong)等等

3）  定(ding)位與加(jia)工(gong)：納(na)米(mi)定位系統(tong)、微納(na)運(yun)動系統(tong)、多(duo)維(wei)位(wei)移(yi)臺(tai)、旋(xuan)轉臺、微型操作(zuo)器等等

4）  光(guang)源：半(ban)導(dao)體(ti)激光(guang)器、固體(ti)激(ji)光器、單頻激(ji)光器、單縱模激光(guang)器、窄線寬激光(guang)器、光通訊波段(duan)激(ji)光(guang)器、CO2激(ji)光器、中紅外激(ji)光(guang)器、染料激(ji)光器、飛秒超(chao)快激(ji)光器等等

5）  光(guang)機械件：用(yong)於光(guang)路系統(tong)搭(da)建(jian)的(de)高(gao)品質(zhi)無(wu)應(ying)力光(guang)機械件，如(ru)光學(xue)調(tiao)整架、鏡架、支撐(cheng)桿(gan)、固定(ding)底(di)座等等

6）  光(guang)學平臺：主(zhu)動(dong)隔振(zhen)平臺、氣浮隔振(zhen)臺(tai)、實驗桌、剛性工(gong)作(zuo)臺、面(mian)包(bao)板(ban)、隔振(zhen)、隔磁(ci)、隔聲綜合(he)解決方案等等

7）  光(guang)學元件：各(ge)類晶體(ti)、光(guang)纖、偏(pian)轉鏡、反射(she)鏡、透射(she)鏡、半(ban)透半(ban)反鏡、濾光片(pian)、衰(shuai)減片(pian)、玻片(pian)等(deng)等

8） 染(ran)料：激(ji)光染(ran)料、熒光染料、光(guang)致(zhi)變(bian)色染料、光(guang)致(zhi)發光(guang)染料、吸(xi)收(shou)染料等(deng)等