多模激光器

多模激光器是指同時產生兩個或多個模發射光的激光器。

在有幾個縱模同時振蕩的激光器中，可觀察到在單模激光器中未曾見到的一些效應。由於至今還沒有提出一種“完善”處理多模激光器飽和效應的方法，因此一般情況下限於討論蘭姆的“三級”解，但即使在這種限制下，理論也是十分複雜的。通過對一個“三模”激光器的研究，可以確定氣體激光器多模振蕩的主要特點。在三模激光器中，場系由三個單色振蕩組成，它們的頻率分別等於或接近於諧振腔的三個共振頻率。

多模激光器的設計不同於單模激光器，一般選擇較大的放電管內徑，降低高階模的衍射耗以獲得大功率輸出。

首先討論未經鎖模的所謂多縱模自由運轉激光器的輸出特性。腔長為L的激光器，可知其縱模的頻率間隔，自由運轉激光器的輸出一般包括若干個超過閾值的縱模，這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時間的變化是它們無規則疊加的結果，是一種時間平均的統計值。

假設在激光工作物質的凈增益線寬內包含有N個縱模，那麼，激光器輸出的光波電場是N個縱橫電場的和。在一般情況下，這N個縱模的相位之間是無關的，即它們之間在時間上相互沒有關聯，完全是獨立的、隨機的。另一方面，各縱模的相位本身受到激光工作物質及腔長的熱變形，泵浦能量的變動等各種不規則擾動的影響，還會產生各自的漂移，即它們在時間軸上是不穩定的。這樣就破壞了各橫縱模之間的相干條件，所以激光輸出的總光場是各個不同頻率光場的無規則疊加的結果，其光場強度也隨時間無規則起伏。

如果採用適當的措施使這些各自獨立的縱模在時間上同步，即把它們的相位相互聯繫起來，使之有一確定的關係，那麼就會出現一種與上述情況有質的區別而有趣的現象：激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈衝。這就是說，該激光器各模的相位已按照常數關係被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應的技術稱為鎖模技術。

要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈衝，只有採用鎖模的方法，即使各縱模相鄰頻率間隔相等並固定時，這一點在單橫模的激光器中是能實現的。需分析激光輸出與相位鎖定的關係，為方便起見，可設多模激光器的所有振蕩模均具有相等的振幅，超過閾值的縱模共有2N+1個，處在介質增益曲線中心的模，其角頻率為，初相位為0，其模序數q=0，即以中心模作為參考，各相鄰模的相位差為α，及其模頻率間隔，第q個振蕩模，則可得到激光器輸出總光場是2N+1個縱橫相干的結果。

鎖模最早是在He-Ne激光器內用聲光調製器實現的，后在氬離子、二氧化碳、紅寶石、釔鋁石榴石等其他激光器中都用內調製方法實現鎖模。後來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，後來又反過來推動了鎖模技術的發展。1968年開始的橫模鎖定的研究，隨後又進行了縱橫模同時鎖定的探討。70年代開發了主動加被動、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。

1.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，利用諧振腔內的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，對多個模的調製會產生邊帶，其頻率與兩個相鄰縱模的頻率一致。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，形成鎖模序列脈衝。

2.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激光諧振腔內實現的。可飽和吸收體是一種非線性介質，對腔內激光的吸收是隨光場強度而變化的，當光場較弱時對光吸收很強，因此光透過率很低；隨著激光強度增加吸收減少，當達到一個特定值時吸收飽和光透過率達100%，使強度最大的激光脈衝經受最小的損耗，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。

3.自鎖模

若激活介質本身的非線性效應能夠保持各個振蕩縱模頻率的等間隔分佈，並有確定的初相位關係，不需要在諧振腔內插入任何調製元件就可以實現縱模鎖定的方法稱為自鎖模。

4.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。如果要通過周期性的調製諧振腔的增益來實現鎖模，則可以採用一台主動鎖模激光器的脈衝序列泵浦另一台激光器來獲得。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獲得比泵浦脈衝寬度小得多的脈衝。此外，在同步泵浦染料激光器中，產生的超短脈衝的頻率在一定的波長範圍內是可連續的。