導(dǎo)讀
寫時其實(shí)挺心虛的。在固體鎖模激光器領(lǐng)域，魏志義老師研究組是公認(rèn)的No.1，組里高手如云，經(jīng)驗(yàn)豐富。好在文章定位是學(xué)生之間的分享交流，就簡單說一下自己這幾年在固體鎖模激光器搭建和調(diào)整方面的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和體會，希望能夠?qū)Τ跞脒@個領(lǐng)域的同學(xué)有些許幫助。
首要問題：安全！
“首先是自己和他人的人身安全，其次是實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的安全”，這是當(dāng)年我初入實(shí)驗(yàn)室時老板們經(jīng)常叮囑的話。激光實(shí)驗(yàn)相比大多數(shù)實(shí)驗(yàn)危險性還是挺高的，尤其是涉及到自由空間中的光路傳輸時。
激光本身引起的致盲、燒傷、測試儀器設(shè)備的損壞以及在激光器搭建調(diào)整過程中疏忽和操作不當(dāng)引起的晶體損壞，LD擊穿，燒穿紙張、衣服、顯示卡、儀器外殼，甚至漏水，觸電等各種問題，相信很多人都有耳聞或者親身經(jīng)歷過，所以安全問題應(yīng)該是激光實(shí)驗(yàn)過程中最重要的問題，需要時刻謹(jǐn)記，不能抱任何僥幸心理，否則膽子越來越大，很可能害人害己。
固體鎖模激光器的設(shè)計
對于大多數(shù)人來說，我們設(shè)計鎖模激光器的目的都很單純——無非是首先能夠?qū)崿F(xiàn)激光鎖模輸出，在此基礎(chǔ)上獲得想要的激光輸出參數(shù)以供應(yīng)用；另外從實(shí)驗(yàn)角度講，也希望得到比較牛的數(shù)據(jù)，例如非常短的脈寬、非常高的平均功率或者單脈沖能量等，如果能觀察到一些新奇的物理現(xiàn)象就更好了，利于發(fā)文。
鎖模腔型的選擇和使用多種多樣，但最經(jīng)典和常用的依然是X型和Z型腔以及它們的變形。圖1給出了一個典型的X型腔SESAM鎖模激光器示意圖，相信很多人都非常熟悉。
圖1 典型的X型腔LD 抽運(yùn)SESAM鎖模激光器光路圖
X型和Z型腔基本的設(shè)計原則就是如果要想獲得短脈沖就讓激光介質(zhì)中的模式小一些，增強(qiáng)自相位調(diào)制效應(yīng)來展寬光譜，例如經(jīng)典的鈦寶石激光器；若要獲得高的平均功率輸出就增大模式，比較極端的例子就是薄片激光器。
基本方法是根據(jù)實(shí)際需求或?qū)嶒?yàn)條件初步確定腔型和腔長的條件下，利用ABCD傳輸矩陣計算晶體和飽和吸收體位置的束腰半徑/直徑，選擇確定合適曲率的腔鏡，從而進(jìn)一步確定穩(wěn)區(qū)的位置和大小來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)際中會根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不斷迭代優(yōu)化，最終得到想要的結(jié)果。
常用工具——Matlab、Mathematica或者M(jìn)athcad，這些年也有了一些專門的軟件，能夠提供非常多的功能和參數(shù)，有興趣或者懶得自己碼公式的同學(xué)可以研究一下。
諧振腔的參數(shù)確定了之后，就要考慮腔鏡鍍膜和腔內(nèi)色散補(bǔ)償控制的問題。根據(jù)傅立葉變換極限，越窄的脈寬就需要越寬的光譜來支持，所以一般飛秒激光器腔鏡鍍膜都比較寬，不過越寬的膜系價格越高，如果進(jìn)一步想要控制鏡子色散的話價格就更高了，最終鍍膜寬度選擇一般根據(jù)自己的應(yīng)用需求和預(yù)算，合適就好。
這些年用過國內(nèi)外不少公司鍍過的鏡子，自己感覺類似常用的1 µm波段鏡片只要鍍膜夠?qū)?，基本都能夠支持四五十飛秒甚至更短一些的脈沖，除非追求周期量級輸出，否則沒有必要花大價錢去控制（鏡子）色散，當(dāng)然土豪可以無視。
另外，要實(shí)現(xiàn)飛秒鎖模脈沖輸出，就必然涉及到腔內(nèi)色散補(bǔ)償控制的問題，O.E.Martinez等人在1984年從理論上首先指出了利用腔內(nèi)自相位調(diào)制和色散的平衡可以實(shí)現(xiàn)非常短的鎖模脈沖輸出[1]，而且當(dāng)諧振腔內(nèi)的自相位調(diào)制效應(yīng)一定、二階總色散量為負(fù)并且接近零色散時，能夠得到最短、但是稍微帶點(diǎn)啁啾（chirp）的鎖模脈沖，如圖2所示。
圖2 在腔內(nèi)弱自相位調(diào)制效應(yīng)下鎖模脈寬和啁啾量（chirp）與腔內(nèi)二階色散的關(guān)系[1]
目前常用的諧振腔內(nèi)色散補(bǔ)償元件有棱鏡對、啁啾鏡和GTI鏡。其中棱鏡對屬于優(yōu)缺點(diǎn)都十分鮮明的一種元件。其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)腔內(nèi)色散的“在線”調(diào)整，即可以在保持激光器鎖模運(yùn)行條件下變化腔內(nèi)色散，真的是懶人福音，十分方便；但是在激光器搭建的時候相對其他兩種對光路有些麻煩，而且一般不可避免地會引入損耗——輸出降三分之一甚至一半是常有的事。同時，如果輸出鏡位置在棱鏡之后還會引入空間啁啾，若鎖模脈寬非常短，也就是光譜非常寬的話通常需要在輸出鏡之后再對稱加入一對棱鏡來補(bǔ)償一下。
相對而言，利用啁啾鏡和GTI鏡作為色散補(bǔ)償元件光路簡單很多，同時可以避免棱鏡對引入的功率損耗和空間啁啾問題。雖然無法“在線”控制色散，但改變反射次數(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)對腔內(nèi)色散量的調(diào)整，近年來在鎖模激光器中的應(yīng)用越來越廣泛。
最后就是輸出鏡的選擇。通常開始為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)鎖模輸出會選擇輸出小一些的輸出鏡，保證腔內(nèi)單脈沖能量能夠達(dá)到連續(xù)鎖模的閾值，但最終輸出鏡透過率的確定還是看你的目的是什么，如若追求超短脈沖就盡量選用小輸出的輸出鏡，通過增強(qiáng)自相位調(diào)制效應(yīng)來展寬光譜，這時平均輸出功率會降得比較低；追求高平均輸出功率就適當(dāng)調(diào)高輸出鏡的透過率，此時脈寬就很難做短——魚與熊掌不可兼得。
同樣，在設(shè)計和實(shí)驗(yàn)的過程中也能夠發(fā)現(xiàn)，其實(shí)任何一個鎖模參數(shù)的追求都是有成本的。例如追求小的激光光斑，相應(yīng)的瑞利長度就會變短，這就有點(diǎn)失去追求小光斑的意義了，對應(yīng)穩(wěn)區(qū)范圍也會變小甚至非常敏感，給諧振腔的調(diào)整帶來困難；鏡子帶寬和色散補(bǔ)償元件的選擇也存在類似的問題，所以最終激光器各個參數(shù)的確定往往是根據(jù)實(shí)際情況和需求做出取舍后的一個平衡的結(jié)果。
諧振腔的搭建和調(diào)整
諧振腔設(shè)計好后，接下來的事情就是如何利用一堆鏡片、調(diào)整架、支桿、平移臺等搭建出一個完整的鎖模激光器。
我當(dāng)年剛開始面對光禿禿的光學(xué)平臺和一堆零散的元件時，真的挺茫然，完全無從下手，后來做得比較多了之后發(fā)現(xiàn)，其實(shí)每個組甚至每個人在諧振腔的搭建方面都有自己的風(fēng)格，例如腔型的選擇、光路的高度、移動和固定元件的確定等，但是總的原則和出發(fā)點(diǎn)都基本相同——既要安全又要便于調(diào)整，還要盡可能有利于后續(xù)不同監(jiān)測和測量儀器設(shè)備的放置和調(diào)試。
舉個例子，X型腔光路一般不要離光學(xué)平臺邊緣太遠(yuǎn)，否則折疊之后兩個端鏡可能距離平臺邊緣很遠(yuǎn)，調(diào)整光路經(jīng)常需要繞著光學(xué)平臺兩邊跑，非常不方便；但離平臺太近也可能有問題——有些平移臺可能會伸出平臺外邊緣，不小心的話容易碰到，從而破壞整個諧振腔，前功盡棄。
搭好后調(diào)節(jié)激光器的第一步——出光。這時有無問題，保證出光才可能進(jìn)一步優(yōu)化功率、嘗試鎖模。以Yb晶體五鏡腔鎖模為例，我們習(xí)慣是首先搭一個兩臂等長的四鏡腔，這樣兩個穩(wěn)定區(qū)之間沒有間隔/分裂，穩(wěn)定區(qū)范圍相對很大，用尺子大概量一下兩個凹面鏡之間的距離，在計算的穩(wěn)定區(qū)范圍中心附近或者稍大于兩凹面鏡焦距之和幾個毫米就可以，晶體位置同樣放在穩(wěn)區(qū)中心附近，這樣只要光路能夠?qū)?zhǔn)，一般可以保證出光。
出光之后就可以對諧振腔進(jìn)行功率優(yōu)化，以盡量減少不確定量，然后利用SESAM 臂漏出的光對SESAM進(jìn)行俯仰和傾斜對準(zhǔn)，如果不出光就嘗試移動一下凹面鏡M2，移到穩(wěn)區(qū)范圍內(nèi)五鏡腔基本就可以對好了。
常見的Nd、Yb摻雜晶體發(fā)射截面比較高，對于光路對準(zhǔn)要求不太高，實(shí)驗(yàn)做得多，有了經(jīng)驗(yàn)后分分鐘可以調(diào)出來；2 µm波段的Tm摻雜晶體相比起來對準(zhǔn)要求就苛刻很多，一般需要些耐心和手感才行。
那么問題來了：諧振腔搭建過程中如何對光路進(jìn)行對準(zhǔn)？這個貌似大家所用的方法五花八門，我們在實(shí)驗(yàn)室常用的方法是利用抽運(yùn)光進(jìn)行校準(zhǔn)。
對于端面抽運(yùn)的鎖模激光器來說，由于腔內(nèi)基本不存在折射型光學(xué)元件（晶體除外），不同波長的抽運(yùn)光和激光在腔內(nèi)的路徑基本可以認(rèn)為是一樣的，所以可以利用抽運(yùn)光來輔助進(jìn)行光路對準(zhǔn)。
有同學(xué)可能會想：“抽運(yùn)光通過激光介質(zhì)后不應(yīng)該全部從M2透射出去了嗎？那怎么利用抽運(yùn)光對準(zhǔn)？”理論上M1和M2的確對抽運(yùn)光高透，但高透≠全透，實(shí)際鍍膜中也很難做到，我們一般要求透過率＞95%就可以，所以總會有少量抽運(yùn)光留在腔內(nèi)可以用來做光路對準(zhǔn)用。
由于抽運(yùn)光大部分仍然是不可見光，這時候就需要用紅外觀察卡/上轉(zhuǎn)換片來進(jìn)行觀察，對于常用的800-1000 nm波段，這些觀察卡一般都非常靈敏，很容易找到光斑的位置。如果你鍍膜實(shí)在太好，抽運(yùn)很弱，那就關(guān)燈+加大抽運(yùn)，要說還看不見，反正我是不太信~
除了用抽運(yùn)光對準(zhǔn)，也有不少人用熒光輔助調(diào)節(jié)，包括直接用紅外觀察卡看以及利用光譜儀看，紅外觀察卡觀察熒光對準(zhǔn)的方法和上邊提到的用抽運(yùn)光對準(zhǔn)方法基本是一樣的，實(shí)際應(yīng)用中有時會把兩者結(jié)合起來；光譜儀看熒光的方法有點(diǎn)危險，就是粗略調(diào)好諧振腔后直接把光譜儀放到輸出鏡后端，首先調(diào)節(jié)另外一端鏡看熒光強(qiáng)度的變化，調(diào)到最強(qiáng)后固定，接著再調(diào)節(jié)輸出鏡一端，在接近出光的位置熒光強(qiáng)度會發(fā)生劇烈變化，這時候趕快移開光譜儀，抽運(yùn)功率也最好不要太強(qiáng)，否則很可能損壞光譜儀。
不過熒光輔助調(diào)節(jié)的方法目前只適合近紅外波段，對2 µm及以上中紅外波段完全無能為力，主要是沒有足夠靈敏的觀察卡片，另外光譜儀要么同樣不夠靈敏、反應(yīng)慢，要么太貴，萬一打壞了實(shí)在得不償失。
“看見有光，心中不慌”。出光了就離鎖模近了好多步，至少是有了希望。
一般出光后首先優(yōu)化各個元件使輸出功率最大，有時候在優(yōu)化過程中直接就能看到鎖模信號，但大部分情況下還是需要一點(diǎn)一點(diǎn)地慢慢調(diào)整。通?？梢韵却蠓秶卣{(diào)整一遍諧振腔，使心中對穩(wěn)定區(qū)范圍有一個大致的了解。
如果飽和吸收體的啟動能力足夠強(qiáng)，調(diào)整過程中應(yīng)該比較容易看到調(diào)制甚至鎖模信號。這時候要做的工作就是根據(jù)探測器和示波器的監(jiān)測信號調(diào)整優(yōu)化各個元件的位置以及腔鏡的對準(zhǔn)，另外還有抽運(yùn)強(qiáng)度和聚焦等，直至實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模輸出。
但實(shí)際情況一般不會那么美好，經(jīng)常會遇到鎖模很難啟動的現(xiàn)象，有時甚至連調(diào)制信號都沒有，這時可以有意將諧振腔調(diào)整到穩(wěn)區(qū)的邊緣，調(diào)整過程中不時加一些擾動，觀察輸出信號的變化，在鎖模信號相對最強(qiáng)的位置進(jìn)行優(yōu)化并最終實(shí)現(xiàn)鎖模輸出。
另外，調(diào)整過程中盡可能地保證激光器處于基模運(yùn)行狀態(tài)，只有基模運(yùn)行時飽和吸收體才更容易達(dá)到飽和閾值，從而實(shí)現(xiàn)啟動和維持鎖模的目的。
總的來說，固體鎖模激光器的搭建和調(diào)整相對于連續(xù)和調(diào)Q激光器還是有一定的門檻，另外很多時候?qū)崿F(xiàn)了鎖?？赡苤皇侨f里長征的第一步，尤其在孤子鎖模區(qū)，在腔內(nèi)的非線性和色散、增益和損耗、以及增益帶寬等因素共同作用下激光器可能收斂到各種不同的鎖模狀態(tài)，想要得到期望的鎖模參數(shù)往往要經(jīng)過一個非常系統(tǒng)化的優(yōu)化過程，這就需要對實(shí)驗(yàn)中觀察到的各種物理現(xiàn)象和細(xì)節(jié)有比較深刻的認(rèn)識和理解，能夠快速找到不同問題的可能原因和解決方法。
總結(jié)來說，只有多看（文獻(xiàn)）、多做（實(shí)驗(yàn)）、多想，不斷地學(xué)習(xí)和思考，提高自己的認(rèn)識和實(shí)驗(yàn)水平，才能不斷地對激光器進(jìn)行優(yōu)化，最終得到期望的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
參考文獻(xiàn)：
[1].O.E.Martinez,R.L.Fork,and J.P.Gordon.Theory of passively mode-locked lasers including self-phasemodulation and group-velocity dispersion[J]Opt.Lett. 1984,9(5): 156-158
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