把這4種技術放在一起討論是因為它們都是直接對激光器諧振腔的輸出特性產生作用。

1、選模：

選模其實就是選頻。大多數激光器為了得到較大的輸出能量使用較長的諧振腔，這就使得激光器的輸出是多模的。然而基橫模（TEM00模）與高階模相比，具有亮度高、發散角小、徑向光強分布均勻、振蕩頻率單一等特點，具有最佳的空間和時間干涉性。因此，單一的基橫模激光器是一種最理想的相干光源，對于激光干涉測量、光譜分析、激光加工等應用十分重要。為了滿足這些條件，必須采用限制激光振蕩模的措施，抑制多模激光器中大多數諧振頻率的工作，利用模式選擇技術，獲得單模單頻激光輸出。

選模分為兩種方式：一是對激光縱模的選取；二是對激光橫模的選取。前者對激光的輸出頻率影響較大，能夠大大提高激光的相干性；后者主要影響激光輸出的光強均勻性，提高激光的亮度。

1）、縱模選取：要提高光束的單色性和相干長度，就需要使激光器工作在單一縱模下。但是許多激光器往往有幾個縱模同時振蕩，因此，要設計單縱模激光器就必須采用選頻的方法。常見的方法有：短腔法，法布里鉑羅標準具法，三反射鏡法等。

2）、橫模選取：激光振蕩的條件是增益系數必須大于損耗系數。損耗可分為與橫模階數有關的衍射損耗和振蕩模式無關的其他損耗。基橫模選擇的本質是使TEM00模達到振蕩條件，而使高階橫模的振蕩收到抑制。因此只需控制各高階模式的衍射損耗，即可達到選橫模的目的。一般來說，只要能抑制比基橫模高一階的TEM01模和TEM10模振蕩，就能抑制其他高階模的振蕩。常見的方法有：光闌法、聚焦光闌法和腔內望遠鏡法、凹凸腔、利用調Q選模等。

2、穩頻：

激光器通過選模獲得單頻振蕩后，由于內部和外界條件的變化，諧振頻率仍然會在整個線性寬度內移動，這種現象稱為“頻率漂移“。由于漂移的存在，出現了激光器頻率穩定性的問題。穩頻的目的就是設法控制這些可控因素，使其對振蕩頻率的干擾減至最小限度，從而提高激光頻率的穩定性。

頻率穩定性包括兩個方面：頻率穩定度和頻率復現度。頻率穩定度是指激光器在一次連續工作時間內的頻率漂移與振蕩頻率之比，比值越小，頻率穩定度越高。頻率復現度是激光器在不同環境下使用時頻率的相對變化量。穩頻方法分為被動和主動式兩種，具體的穩頻方法有：蘭姆凹陷法、飽和吸收法。

3、調Q：

一般固體脈沖激光器輸出的光脈沖不是單一的光滑脈沖，而是一群由寬度在微秒量級的強度不等的小尖峰脈沖組成的序列。這種光脈沖序列持續時間長達幾百微秒甚至幾毫秒，其峰值功率也只有幾十千瓦的水平，遠遠滿足不了激光雷達、激光測距等實際應用的需求。為此有人就提出了調Q的概念，使激光脈沖輸出性能得到了幾個數量級的改善，脈沖寬度壓縮到納秒級，峰值功率高達千兆瓦。

Q指的是激光諧振腔的品質因素，具體公式Q=2π*諧振腔內儲存的能量/每振蕩周期損耗的能量。

調Q原理：采用某種方法使諧振腔在泵浦開始時處于高損耗低Q值狀態，這時激光振蕩的閾值很高，粒子密度反轉數即使積累到很高水平也不會產生振蕩；當粒子反轉數達到峰值時，突然使腔的Q值增大，將導致激光介質的增益大大超過閾值，極其快速地產生振蕩。這時存儲在亞穩定狀態上的粒子所具有的能量會很快轉換為光子的能量，光子以極高的速率增大，激光器便可輸出一個峰值功率高，寬度窄的激光脈沖。

因為諧振腔的損耗包括反射損耗、吸收損耗、衍射損耗、散射損耗和透射損耗，因而用不同的方法控制不同類型的損耗就形成了不同的調Q技術。目前常見的調Q技術有：聲光調Q、電光調Q及染料調Q。

4、鎖模：

調Q可以壓縮激光脈沖寬度，得到脈寬為豪微秒量級、峰值功率千兆瓦量級的激光脈沖。鎖模技術是進一步對激光進行特殊的調制，強迫激光器中振蕩的各個縱模的相位固定，使各模式相干疊加以得到超短脈沖的技術。采用鎖模技術，可得到脈寬為飛秒量級、峰值功率高于T瓦量級的超短激光脈沖。鎖模技術使得激光能量在時間上高度集中，是目前獲得高峰值功率激光的最先進技術。

鎖模原理：一般非均勻增寬激光器總是產生多縱模。由于各個模式的頻率和初相位并無確定的關系，各個模式互不相干，因此多縱模輸出的光強是各縱模的非相干疊加。輸出光強隨時間無規律起伏。鎖模使得諧振腔中可能存在的多個縱模同步振蕩，讓各振蕩模的頻率間隔保持相等并使得它們的初相位保持為常數，使激光器輸出在時間上有規律的等間隔的短脈沖序列。

鎖模技術分為主動鎖模和被動鎖模。主動鎖模：在諧振腔內插入一個調制頻率v=c/2L的調制器，對激光輸出進行振幅和相位調制，實現各個縱模同步振動。被動鎖模：在激光腔內插入一個有飽和吸收特性的染料盒。可飽和吸收特性的染料盒的吸收系數是會隨著光強的增強而下降的。激光器內，隨著光泵對工作物質的激勵，各個縱模都會隨機的發生，光場就會由于它們的疊加而在強度上有所起伏。當有些縱模偶然得到相干加強時，出現光強較強的部分，其他部分則較弱。這些較強的部分通過染料，被吸收的少，損耗不大。較弱的部分通過染料被吸收的多，變得更弱。光場多次通過染料的結果，強處和弱處就明顯的區分開來了，最終造成這些縱模相干加強處以窄脈沖的形式被選出來。被動鎖模對染料盒的光學特性有一定的要求：染料的吸收線要和激光波長很接近；吸收線的線寬要>=激光線寬；弛豫時間短于脈沖在腔內往返一次的時間。

轉自：光學與半導體綜研

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