鎖模是光學裡一種用於產生極短時間雷射脈衝的技術，脈衝的長度通常在皮秒（10負十二次方秒）甚至飛秒（10負十五次方秒）。該技術的理論基礎是在雷射共振腔中的不同模式間引入固定的相位關係，這樣產生的雷射被稱為鎖相雷射或鎖模雷射。這些模式之間的干涉會使雷射產生一系列的脈衝。根據雷射的性質，這些脈衝可能會有極短的持續時間，甚至可以達到飛秒的量級。
基本介紹
- 中文名：鎖模
- 外文名：mode lock
- 簡介：用於產生極短時間雷射脈衝的技術
- 鎖模的分類：模式之間無固定相位關係
- 自鎖模：克爾透鏡鎖模
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簡介
鎖模最早是在He-Ne雷射器內用聲光調製器實現的，後在氬離子、二氧化碳、紅寶石、釔鋁石榴石等其他雷射器中都用內調製方法實現了鎖模。以後又出現了可飽和吸收染料鎖模。隨著鎖模技術的發展，推動了超短脈衝測試技術的發展，後者反過來又推動了鎖模技術的發展。1968年開始了橫模鎖定的研究，稍後又進行了縱橫模同時鎖定的探討。70年代後開發了主動加被動、雙鎖模（損耗調製加相位調製）、鎖模加調Q及同步鎖模等技術的研究。最近又開發了碰撞鎖模、自鎖等新技術。本次主要討論主動鎖模、同步泵浦鎖模、被動鎖模等技術。
主動鎖模
主動鎖模採用的是周期性調製諧振腔參量的方法。其依據是，利用諧振腔內一個受外部信號控制的調製器，用一定的調製頻率周期性地改變諧振腔的損耗或光程（振幅調製和相位調製）。當選擇的調製頻率與縱模的間隔相等時，對各個模的調製會產生邊帶，其頻率與兩個鄰近縱模的頻率一致。由於模之間的相互作用，使所有的模在足夠強的調製下達到同步，各模將會發生相干疊加，形成鎖模序列脈衝。
同步泵浦鎖模
主動鎖模是通過周期性調製諧振腔的損耗或光程來實現的。如果要通過周期性地調製諧振腔的增益來實現鎖模，則可以採用一台主動鎖模雷射器的脈衝列泵浦另一台雷射器來獲得。這種方式就是同步泵浦鎖模。這種方法的優點在於周期性泵浦時可以獲得比泵浦脈衝寬度小得多的脈衝寬度。此外，在同步泵浦染料雷射器中，產生的超短脈衝的頻率在一定的波長範圍內是連續可調的。
被動鎖模
產生超短脈衝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雷射諧振腔內來實現的。可飽和吸收體是一種非線性吸收介質，它對雷射頻率有吸收躍遷的特性和較大的吸收截面。一旦雷射器的輻射脈衝入射到這種吸收體，則吸收體分子吸收雷射輻射，隨著雷射強度的增加，它的上能級粒子數也增加，當雷射強度大於吸收體的飽和強度時，吸收體達到飽和，使強度最大的雷射脈衝經受最小的損耗而自由通過它，從而得到很強的鎖模脈衝。它類似於被動Q開關，但又有區別。被動鎖模要求可飽和吸收體的上能級壽命特別短，同時放在腔內必須緊靠全反鏡。
鎖模理論
在一個簡單的雷射器中，這些模式都是獨立的振盪的，因此模式之間沒有固定地關係，就好像一組彼此獨立、頻率稍有不同的雷射從雷射器中同時射出一樣。每一束光的相位都沒有固定，而且相位可能因為各種原因產生隨機的變化，例如雷射器的工作材料的溫度變化等等。在只有很少的幾個振盪模式的雷射器中，模式之間的干涉會產生雷射輸出的拍頻現象，這會引起雷射強度的隨機波動。而在具有成千上萬個模式的雷射器，這些干涉現象會平均起來產生近似常數的輸出強度，這種雷射的工作方式被稱為連續波。
如果不允許模式獨立振盪，而是要求每個模式與其他模式之間保持固定的相位，雷射輸出就會有很大的不同特點。這時的輸出強度不再是隨機性的變化或者近似為常數，而是由於不同模式的雷射周期性的建立起相生干涉，導致產生脈衝雷射。這樣的雷射器被稱為鎖模或者鎖相。這些雷射脈衝的時間間隔為τ = 2L/c，其中τ是雷射往返共振腔所需的時間。這個時間對應的雷射器模式之間的頻率間隔，也就是Δν = 1/τ。
脈衝的持續時間由同相振盪的雷射的縱模數量決定。在現實的雷射器中，並不是所有的雷射縱模都會被鎖相。如果相位鎖定的模式數量為N，頻率間隔為Δν，那么總的鎖模雷射頻寬為NΔν，頻寬越寬，雷射發出的脈衝持續時間越短。在現實中，實際的脈衝持續時間還受到脈衝波形的影響，這個波形是由每個縱模的振幅與相位之間的關係決定的。例如，對於一個產生的脈衝時域波形為高斯形狀的雷射器來說，其最短的脈衝持續時間Δt為Δt=0.44/(N*Δν)。
其中的常數0.44被稱為脈衝的時間頻寬積，是一個與脈衝形狀有關的常數。對於超短時間雷射脈衝，其脈衝形狀通常認為是雙曲正割平方（sech），此時的時間頻寬積為0.315。
通過這個等式，我們可以根據雷射的頻譜寬度計算出最短的脈衝持續時間。對於氦氖雷射器，其頻譜頻寬為1.5吉赫，而它在這個頻寬下所能產生的最短高斯形狀脈衝大約是300皮秒，而對於鈦摻雜藍寶石固體雷射器，它的頻寬對應的脈衝持續時間將僅有3飛秒。這些數值表示的根據雷射的頻寬理論上所能產生的最短持續時間，而在實際的鎖模雷射中，脈衝持續時間還受到其它各種因素的影響，如真實的脈衝形狀、雷射腔的色散等等。
需要注意的是，從理論上說，隨後的調製會進一步縮短脈衝的持續時間，然而頻譜的寬度將會相應的增加。
鎖模的方法
最常用的鎖模方法均屬於以下兩類中的一類：①由外加信號驅動的主動調製器進行鎖模； ②藉助於合適的非線性光學材料進行鎖模。
為說明第一種方法，假設我們在腔內插入一個受外加信號驅動的調製器，於是產生一個以頻率Δω'隨時間作正弦變化的損耗．若Δω'≠Δω，則損耗將只對每個腔模的能量作振幅調製．然而若Δω'=Δω，則各個模所具有的振幅調製邊帶的頻率將同鄰近模的頻率相重合，因此各個模將與它的兩個鄰近模互相交換功率，結果是所有模的位相趨於鎖定。這種類型的鎖模常稱為調幅鎖模。可以證明，若調製器放置得極為靠近一個端面反射鏡，那么調幅（AM）鎖模就會導致式
給出的位相關係。還有另一種用主動調製器進行鎖模的方法，這種方法是依靠一種由頻率Δω調製其光程長（而不是光損耗）的調製器。在這種情況下可以證明，位相鎖定的方式與式 的方式不同。雖然如此，人們仍然得到其持續時間為振盪頻寬倒數量級的短脈衝。因為這種調製器調製了腔長，因而也調製了腔的諧振頻率，所以這種類型的鎖模常稱為調頻鎖模（FM）。
鎖模雷射
通常是指鎖雷射的縱模。雷射器產生的雷射通常包含不同的頻率成分，每一種頻率成分就稱為一個縱模。相鄰縱模的頻率間隔為光速除以2倍腔長。雖然每個縱模的不同部分各自步調一致，但各縱模間步調卻不相同。若光腔中有n個等光強縱模，則總光強等於一個模式的n倍。鎖模就是使這n個縱模相互同步，鎖模後疊加起來的光脈衝光強就提高n2倍（注意總的平均功率不增加）。
