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锁模激光器技术原理与应用发展
资料介绍
一、锁模激光器基本概念
锁模激光器是一类通过锁模技术实现激光振荡模式相位锁定，从而输出超短脉冲激光的激光器，能够产生皮秒（
）甚至飞秒（）量级的超短脉冲，是当前激光领域中实现超短脉冲输出的核心技术路线之一。
与普通自由运转的激光器相比，锁模激光器的输出特性存在本质差异：自由运转激光器中，不同纵模之间相位无关联，输出光强是各纵模光强的非相干叠加，输出表现为强度随机起伏的连续光；而锁模激光器中，所有纵模保持固定的相位差，各纵模相干叠加后会输出周期性的超短脉冲，脉冲宽度可以达到飞秒量级，峰值功率可以达到太瓦甚至拍瓦级别，这些特性使得锁模激光器在多个领域都具备不可替代的应用价值。
二、锁模技术基本原理
2.1 纵模叠加基础
激光器的谐振腔满足驻波条件，只有满足的频率才能在腔内形成振荡，其中$L$为谐振腔光学长度，$q$为纵模数，为对应纵模的波长。相邻纵模的频率间隔为：
其中$c$为真空中光速，$n$为腔内介质折射率。
当腔内存在多个纵模同时振荡，且所有纵模的初始相位满足（为固定相位差）时，即实现了相位锁定。此时对所有纵模进行相干叠加，叠加后的光场可以表示为：
对该式化简后可得输出光强为：
从该结果可以看出，当（$m$为整数）时，光强达到最大值，输出脉冲；相邻两个脉冲的时间间隔为，恰好等于光在腔内往返一次的时间，也就是说，锁模激光器每一次脉冲输出，对应光在谐振腔内完成一次往返振荡。
脉冲的宽度可以表示为：
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