超快激光通常是指脈沖持續(xù)時間在皮秒（10^ -12s）或飛秒（10^ -15s）量級的激光，當(dāng)然阿秒（10^-18s）等脈寬更短的自然也屬于超快，只不過為了方便區(qū)分，人們習(xí)慣直呼其名。而皮秒飛秒脈沖的產(chǎn)生主要依靠激光鎖模技術(shù)。

什么是激光鎖模

自由運轉(zhuǎn)的連續(xù)激光器輸出包含若干個振幅和相位獨立、隨機的振蕩模式，因而輸出激光的各個縱模是非相干疊加的，輸出光強正比于各縱模光強之和；但是當(dāng)相鄰縱模之間的相位差被鎖定時，由于各相鄰模之間的頻率間隔固定，各模的振動方向或方式對于一定激光器是相同的，因而使得輸出各縱模是相干的，輸出的光波是一序列的脈沖形式。對于每一脈沖來說脈寬（脈沖持續(xù)時間）變窄，峰值功率大大提高，這就是激光鎖模技術(shù)。

鎖模原理圖示:圖中出現(xiàn)一系列周期性的脈沖，當(dāng)各光波振幅同時達到最大值處時，由于“建設(shè)性”的干涉作用，就周期性地出現(xiàn)了極大值。

常見鎖模技術(shù)

鎖模方法主要分為主動鎖模、被動鎖模、自鎖模等，實驗中比較常見的是SESAM（半導(dǎo)體可飽和吸收鏡）鎖模和克爾鎖模（自鎖模）。

· SESAM鎖模原理

可飽和吸收體的吸收系數(shù)隨著光強逐漸減小，滿足：

Is為吸收體的飽和吸收光強，光強I大于Is為強信號，小于Is則為弱信號。

可飽和吸收體鎖模的三個階段

SESAM鎖模主要分為三個階段，即線性放大階段、非線性吸收階段和非線性放大階段。

線性放大階段: 腔內(nèi)光強比較小，由于可飽和吸收體“欺軟怕硬”的性格使弱信號被吸收得多，受到的損耗大，而稍強的信號則吸收小一些，損耗小，且稍強信號的損耗可通過激光諧振腔工作物質(zhì)的增益得到補償。所以在一個周期2L/c（腔長為L）時間內(nèi)，光脈沖通過可飽和吸收體和激光介質(zhì)，其強弱信號的強度相對值就改變一次，激光受到周期性的調(diào)制，在腔內(nèi)多次循環(huán)后，極大值與極小值之差會越來越大。弱信號逐步消失，脈沖個數(shù)減少，頻譜變窄。

非線性吸收階段: 光強大于飽和吸收光強，強脈沖使吸收體吸收飽和（漂白）因此強脈沖會得到大幅度的放大，但弱脈沖會進一步被吸收抑制掉，最后實現(xiàn)發(fā)射脈沖變得更窄，頻譜增寬。由于一個周期2L/c可飽和吸收體吸收一次，因此脈沖間隔為c/2L。

非線性放大階段: 脈沖前沿相對于脈沖后沿先到達增益介質(zhì)，脈沖后沿到達時反轉(zhuǎn)粒子數(shù)已被消耗一部分，使得脈沖前沿放大的多，脈沖后沿放大的少。這樣會造成脈沖前后沿變陡，脈沖進一步壓縮，最后輸出一個高強度窄脈寬的脈沖序列。

非線性放大階段:脈沖變窄

SESAM早期常用于產(chǎn)生調(diào)Q脈沖，因此此種鎖模方式很容易產(chǎn)生調(diào)Q脈沖而不是連續(xù)穩(wěn)定的鎖模脈沖串，常需要提高腔內(nèi)單脈沖能量或降低SESAM和增益介質(zhì)的飽和能量來實現(xiàn)鎖模，常用的辦法除了提高泵浦功率之外，主要利用凹面鏡來減小增益介質(zhì)和SESAM上的光斑大小，從而實現(xiàn)調(diào)Q鎖模進入連續(xù)鎖模。

SESAM鎖模激光器光路:啁啾鏡用于色散補償，半波片HWP用于調(diào)整泵浦光偏振，使增益晶體吸收最大

· 克爾鎖模

克爾鎖模也稱為自鎖模，應(yīng)用的是增益介質(zhì)的克爾非線性效應(yīng)，即激光峰值功率達到GW (10^ 9 W)時，介質(zhì)折射率n與入射激光光強有關(guān)：

基模高斯光束具有中心光強強，周圍逐漸減弱的特點，因此高斯光束經(jīng)過增益介質(zhì)時，中心折射率大，周圍折射率小，使得介質(zhì)出現(xiàn)類似于透鏡的效果，實現(xiàn)光束的聚焦，也就是自聚焦效應(yīng)。若在高斯光束腰斑附近放一個光闌，則光束前后沿的損耗大于光束中部的損耗，使得強光占據(jù)的中部得以通過放大，而周圍的光束則被損耗。光闌和自聚焦效應(yīng)的結(jié)合可以看成一個快飽和吸收體，即強光漂白，弱光被損耗，由于諧振腔的作用，其調(diào)制也是周期性的，使得脈沖周期性的輸出。

克爾鎖模原理

1991年，英國圣 ? 安德魯斯大學(xué)W. Sibbett研究組首次實現(xiàn)克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器，脈寬為60fs。在他們的結(jié)構(gòu)中，BF為雙折射濾波片以實現(xiàn)波長調(diào)諧，M1和M2為凹面鏡以聚焦振蕩光到鈦寶石晶體中心提高光功率密度，P1和P2為一對高色散棱鏡，用于補償增益介質(zhì)等引入的色散，通過外界的擾動即可實現(xiàn)穩(wěn)定自鎖模。

首次實現(xiàn)克爾鎖模激光器光路

色散補償

想要獲得飛秒脈沖，色散補償是十分重要的一環(huán)，而色散通常分為正常色散和反常色散。正常色散下，光的群速度和頻率成反比，可看成頻率小的光速度大，頻率大的光速度小，因而光在正常色散情況下傳播一段時間后，脈沖前沿是低頻，脈沖后沿是高頻。例如初始位置相同的紅光和藍光，由于藍光頻率大，紅光頻率小，在正常色散中傳播一段時間后紅光在前藍光在后，從而造成脈沖展寬，在鎖模激光器中，由于增益介質(zhì)的影響會引入色散，使得脈沖展寬，必須進行色散補償壓縮脈沖，才能實現(xiàn)超短脈沖的輸出。

正常色散脈沖展寬圖示

同理，反常色散中光的群速度同頻率成正比，可等效為頻率小的光速度小，頻率大的光速度大。初始位置相同的紅光和藍光在反常色散介質(zhì)中傳播一段時間之后紅光在厚藍光在前，從而造成脈沖展寬。

反常色散脈沖展寬圖示

如果我們同時考慮兩種色散，經(jīng)過正常色散介質(zhì)展寬的脈沖再通過等量色散的反常色散介質(zhì)則可實現(xiàn)色散補償，實現(xiàn)脈沖的壓縮，這就是鎖模激光器中色散補償?shù)臋C理。

· 常見色散補償方法

棱鏡對壓縮脈沖：利用棱鏡的色散原理可實現(xiàn)脈沖壓縮，棱鏡色散使不同頻率的光分離，當(dāng)不同頻率的光穿過棱鏡的厚度不同時會引入不同的延時，實現(xiàn)色散補償。舉個栗子，經(jīng)正常色散展寬后的脈沖通過棱鏡對時，可通過擺放方式使得低頻光穿過棱鏡的厚度更大，高頻光穿過棱鏡的厚度更小，這樣使得低頻光穿過棱鏡所需時間更長，合理設(shè)計穿透的厚度即可實現(xiàn)脈沖的壓縮。

雙棱鏡對壓縮脈沖原理

啁啾鏡壓縮脈沖：通過在啁啾鏡表面鍍不同中心波長反射膜，使得不同中心波長的光穿透深度不同，從而引入不同的延時，例如經(jīng)過正常色散的光到達啁啾鏡時，可使低頻光穿透深度更大，高頻光穿透深度更小，即可使得低頻光延時大于高頻光，從而實現(xiàn)色散補償。根據(jù)系統(tǒng)的總色散量精密的計算鍍膜的層數(shù)和厚度，啁啾鏡可實現(xiàn)超寬光譜的色散補償，即可實現(xiàn)周期量級的超短脈沖。

此外，通常脈寬和光譜寬度成反比關(guān)系，對于超快激光而言，其脈寬極窄，因而光譜寬度較大，飛秒量級的激光其波長可覆蓋幾十到幾百納米，自然不再滿足激光單色性。但是，脈沖的峰值功率等于單脈沖能量比上脈寬，也就是說飛秒脈沖的峰值功率很高，可達GW量級，采用啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）可達PW量級。

(來源：知乎/作者：一覺睡到小時候)