超短脈沖激光器，能夠產(chǎn)生飛秒至皮秒量級(jí)的極短光脈沖，是探索微觀超快過(guò)程、進(jìn)行精密微加工和前沿科學(xué)研究的神兵利器。其工作原理并非簡(jiǎn)單地“開(kāi)關(guān)”激光，而是一場(chǎng)精心策劃的“光子派對(duì)”，核心在于鎖模技術(shù)。理解其原理，需從激光的基礎(chǔ)、脈沖的形成與壓縮三個(gè)層面展開(kāi)。
 

　　一、基礎(chǔ)：激光諧振腔與增益介質(zhì)

　　任何超短脈沖激光器的核心都是一個(gè)光學(xué)諧振腔和其中的增益介質(zhì)。增益介質(zhì)在外界泵浦源的激勵(lì)下，發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，能夠通過(guò)受激輻射放大特定波長(zhǎng)的光。光在諧振腔中來(lái)回反射，不斷被放大，當(dāng)增益超過(guò)損耗時(shí)，便產(chǎn)生連續(xù)的激光輸出。但這只是連續(xù)激光，我們需要的是脈沖。

　　二、核心：鎖模——讓“光子隊(duì)伍”同步行進(jìn)

　　鎖模技術(shù)是產(chǎn)生超短脈沖的關(guān)鍵。想象一下諧振腔內(nèi)有無(wú)數(shù)種不同頻率（對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)）的激光模式在同時(shí)振蕩，它們各有各的相位和振幅，雜亂無(wú)章，整體輸出就是連續(xù)的。鎖模的目的，就是通過(guò)某種機(jī)制，迫使所有這些不同的激光模式保持固定的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)同步振蕩。

　　當(dāng)這些頻率不同但相位固定的光波在時(shí)域上疊加時(shí)，會(huì)發(fā)生奇妙的干涉效應(yīng)：在它們相位一致的地方，建設(shè)性干涉產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的峰值光場(chǎng)；而在相位不一致的地方，破壞性干涉使光強(qiáng)相互抵消。最終，激光器的輸出不再連續(xù)，而是一系列在時(shí)間上間隔排列的、極窄的超短脈沖。脈沖的重復(fù)頻率由諧振腔的長(zhǎng)度決定。

　　三、實(shí)現(xiàn)鎖模的常用技術(shù)

　　如何實(shí)現(xiàn)“鎖模”這一核心步驟？主要有兩種主流技術(shù)：

　　1.可飽和吸收體鎖模：這是一種被動(dòng)方式。可飽和吸收體是一種特殊材料，對(duì)弱光吸收強(qiáng)，對(duì)強(qiáng)光吸收弱（即“飽和”）。在諧振腔內(nèi)插入這種材料，連續(xù)振蕩的弱光會(huì)被吸收掉，而偶然形成的強(qiáng)光脈沖（峰值功率高）則能“漂白”吸收體并順利通過(guò)。經(jīng)過(guò)多次往返，強(qiáng)脈沖被不斷放大，而弱的背景噪聲被抑制，最終形成穩(wěn)定的超短脈沖序列。半導(dǎo)體可飽和吸收鏡是當(dāng)今高性能飛秒激光器的核心元件。

　　2.非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模：尤其在光纖激光器中廣泛應(yīng)用。它利用光在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的非線性光學(xué)效應(yīng)，結(jié)合腔內(nèi)的偏振敏感元件，使得不同強(qiáng)度的光經(jīng)歷不同的偏振態(tài)變化和損耗。同樣，只有高強(qiáng)度脈沖才能以最小損耗通過(guò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)脈沖的自我凈化和穩(wěn)定。

　　四、脈沖壓縮：追求脈寬

　　通過(guò)鎖模直接產(chǎn)生的脈沖可能仍不夠短。為了獲得更短的飛秒甚至阿秒脈沖，通常還會(huì)引入色散管理技術(shù)。由于增益介質(zhì)和光學(xué)元件對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率（即色散），會(huì)導(dǎo)致脈沖在傳播過(guò)程中被展寬。通過(guò)在光路中插入具有相反色散特性的元件，可以補(bǔ)償這種展寬，甚至對(duì)脈沖進(jìn)行壓縮，最終得到接近傅里葉變換極限的超短脈沖。

　　結(jié)語(yǔ)

　　超短脈沖激光器的工作原理，本質(zhì)上是操控光波在時(shí)域和頻域的精密干涉藝術(shù)。通過(guò)鎖模技術(shù)將成千上萬(wàn)個(gè)激光模式“訓(xùn)練”成步調(diào)一致的隊(duì)伍，再借助非線性效應(yīng)和色散管理進(jìn)行“塑形”與“壓縮”，最終創(chuàng)造出能量較高、時(shí)間極短的閃光，為我們打開(kāi)了一扇觀測(cè)和操控超快微觀世界的大門(mén)。