2.2.1　被动锁模原理

锁模（Mode Locking）[1,2]是指激光器内的纵模相位锁定，从而形成拍，使激光器在时域中产生周期性的短脉冲输出。激光工作介质的增益谱越宽，激光腔内可以被锁定的纵模数量就越多，从而支持更窄的激光脉冲输出，其峰值功率也就更高。锁模的基本物理图像如图2-5所示，图中给出了由锁定激光器纵模相位产生超短激光脉冲的过程。上半部分给出了锁定的模式在由1个增加至3个的过程中，激光器输出强度的变化。可见，锁定的纵模数量越多，脉冲宽度越窄。下半部分给出30个具有固定相位关系和30个具有随机相位的纵模相干叠加产生的激光输出情况。可以看出，将激光器的纵模相位锁定可以周期性地产生超短激光脉冲，而相位无关的纵模的叠加结果为白噪声。

图2-5　锁模的基本物理图像

激光器的锁模运转需要使超短脉冲运转状态下的净增益大于连续光运转。这可以由主动调制机制实现（如采用声光调制器），也可以由被动可饱和吸收作用实现，分别称为主动锁模与被动锁模。主动锁模需要在激光器内引入调制器，一般由电信号控制对腔内损耗产生正弦调制。从频域上看，若腔内振荡的一个纵模的频率为，振幅调制频率为，则产生频率为和的相位相关的边带。如果恰好对应于激光腔的纵模间距，就可以使频率为的纵模与相邻的两个纵模相位锁定。同样地，这两个被锁定的纵模又可以锁定与它们相邻的纵模，直到激光器增益带宽内、增益大于损耗的纵模全部被锁定，主动锁模的频域描述如图2-6（a）所示。锁模建立的过程在时域上看更为直接：如果振幅调制器的周期同步于光场完成一次腔循环的时间，那么激光器在每一次腔循环周期内都会出现一个窄的净增益窗口，从而使激光器工作在窄脉冲运转状态，主动锁模的时域描述如图2-6（b）所示。主动锁模获得的超短脉冲的最短脉冲宽度受到外部调制器带宽的限制，一般只能支持皮秒量级的光脉冲。

图2-6　主动锁模

被动锁模不需要引入外加调制信号，而是通过脉冲自身的非线性产生调制函数的形状，实现振幅调制功能的器件称为可饱和吸收体。被动锁模如图2-7所示，可饱和吸收体对光的吸收随强度的增加而降低，形成一个窄的净增益窗口，从而使得振荡器内脉冲运转占有绝对优势。

图2-7（a）所示的可饱和吸收体对脉冲的响应是即时的，其锁模动力学过程称为快可饱和吸收体被动锁模。事实上，许多可饱和吸收材料，如染料、半导体、碳纳米管等在入射光强足够高时会被“漂白”，从被“漂白”到恢复可饱和吸收作用需要一定的时间，称为恢复时间。若净增益窗口的宽度小于恢复时间，就可以获得比吸收体的恢复时间更短的脉冲，称为慢可饱和吸收体被动锁模，如图2-7（b）所示。慢可饱和吸收体与动态增益饱和的共同作用同样会形成一个净增益窗口，从而有效压缩脉宽，其动力学机制如图2-7（c）所示。

图2-7　被动锁模