关于锁模的文章讨论了通过锁模技术产生超短脉冲的一般问题。本文主要聚焦于主动锁模，该技术通过周期性地调制激光谐振腔内的损耗或光程的往返相位变化来实现脉冲的产生。例如，可以通过声光或者电光调制器、马赫-泽恩德集成光调制器或半导体电吸收调制器来实现。当调制信号与谐振腔的光脉冲往返行程同步时，就能产生规则的超短脉冲: 每当循环脉冲击中输出耦合器时，都会产生一个超短脉冲输出。
图1：主动锁模激光器的示意图
通过调制谐振器损耗实现主动锁模（调幅锁模）的原理很容易理解。调制器的作用有以下两种不同的重要影响：
- 具有“正确”时序的脉冲可以在损耗最小的时候通过调制器(见图2)。因此，它比谐振腔中任何其他循环的光辐射更有利。由于脉冲在稳定状态下会使激光增益达到饱和，从而使其往返增益为零，因此其他循环辐射无法达到这种增益平衡，将不可避免地具有负的往返增益，最终逐渐衰减并消失。
- 尽管如此，脉冲的边缘部分仍然会经历一定程度的衰减，实际上这会导致每次往返的脉冲（轻微）缩短，脉冲边缘部分的往返增益为负值，而脉冲中心部分的往返增益为正值。因此，脉冲会越来越短直到这种趋势被其他效应（如增益收窄或色度色散）平衡。
图2：主动锁模激光器中光功率和损耗随时间的演化
调制器会增加脉冲边缘部分的损耗，从而有效地缩短脉冲。由于脉冲持续时间通常相对于脉冲周期要小得多，因此调制器对脉冲的缩短效应非常微弱。在简单的情况下，库曾加-西格曼理论公式可用于计算稳定状态下的脉冲持续时间。该理论表明，脉冲持续时间是由调制器引起的脉冲缩短效应与增益收窄导致的脉冲展宽效应之间的平衡所决定的。脉冲持续时间通常在皮秒范围内并且与调制器信号强度等参数有微弱的关系，这种微弱的依赖性源于：当脉冲持续时间较短时，调制器的脉冲缩短效应会减弱，而增益收窄和色散等其他效应会使脉冲变宽变得更加显著。
图3：主动锁模激光器中脉冲持续时间随谐振腔往返次数的演化。（达到稳态需要经过许多次谐振腔往返行程，因为每次往返行程的脉冲整形效果相对较弱。）
开关式调制器的行为：
如果在激光器实现主动锁模后关闭光学调制器，锁模通常就会结束。然而，如果被动锁模机制也起作用，锁模可能会继续维持。这种现象可能在多种条件下出现，通常涉及到一些光学非线性效应，例如克尔透镜锁模。
调频锁模：
不明显的是，主动锁模也适用于光学相位的周期性调制（而不是振幅调制）。例如波克尔斯电光调制器。这项技术被称为调频锁模(FM =频率调制)，不过“相位调制锁模”一词似乎更为恰当，它会产生一些啁啾脉冲。一些调频锁模激光器会表现出一种不稳定性：激光器会在两种工作模式之间表现出随机切换，即脉冲通过调制器的时间达到相位延迟的最小值或最大值。这种双稳态性有时会因色散和非线性效应得以消除。
同步；再生反馈法：
为了稳定运行，谐振器的往返时间必须与调制器信号的周期（或其整数倍）精确地匹配，以便循环脉冲能以最小的损耗通过调制器。因为在脉冲定时序上获得的 “拉力 ”非常弱，所以即使激光谐振器和驱动信号之间存在很小的频率匹配误差，也会导致强烈的脉冲时序抖动，甚至出现混乱行为。为了实现长期稳定的运行，仅依靠精确调整激光装置是不够的，因为热效应等因素会导致谐振腔的往返时间和振荡器频率发生漂移，从而无法保证调制器驱动器与激光器之间的同步。通常情况下，我们需要一个回馈电路，自动调节激光谐振腔的调制频率或激光谐振器的长度(从而调节其往返时间)。一种常用的技术是再生锁模（也称为带再生反馈的锁模），在这里，调制器信号并非由自由振荡或稍加校正的电子振荡器产生，而是从检测到的脉冲序列本身的强度调制信号中获得。这种方案对于实现可调脉冲重复率尤为重要，通常应用于锁模光纤激光器和激光二极管中。
具有更高脉冲重复频率的主动锁模：
由于几何尺寸上的限制，很难通过缩短激光谐振器长度来达到很高的脉冲重复率。一种解决方案是采用谐波锁模技术，即多个脉冲在激光谐振器中循环，调制器频率是往返频率的整数倍。该技术的一个变种是分数谐波锁模，其调制频率为往返频率与两个整数比值的乘积。
与被动锁模的比较：
与被动锁模相比，主动锁模技术通常会产生脉冲持续时间更长的脉冲。这主要是因为脉冲越短，调制器的脉冲缩短效果就越差。相比之下，用于被动锁模的可饱和吸收器可以在脉冲变短时可提供更快的损耗调制。主动锁模的另一个缺点是需要光学调制器、电子驱动器和（大多数情况下）同步装置。然而，当需要与某些电子信号同步的脉冲序列时，或当许多激光器需要同步运行时，主动锁模是一种自然的解决方案。因此，主动锁模通常用于光纤通信。
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发表于 2025-7-2 15:57