主动锁模、被动锁模和自锁模，三者有何区别？

文 / 高晨心、卫子琦、赵康俊，清华大学

在一些研究物质超快过程或者对材料精密控制的领域，如生物光子学、激光光谱学、医疗以及精密微加工等，迫切需要短至皮秒、飞秒量级的光脉冲。为了解决这个问题，锁模技术应运而生。

锁模是指将多纵模激光器中各纵模的相位关系固定，形成等时间间隔的光脉冲序列。根据锁模原理的不同，可以将锁模分为主动锁模、被动锁模和自锁模，在实际应用中它们都有各自的优势和不足。

主动锁模

主动锁模需要在激光腔中增加（电）调制器件。射频信号驱动调制器对腔内光场实现周期性的幅度或者相位调制，当调制频率与纵模间隔相等时，可实现锁模，获得光脉冲。

主动锁模可分为振幅（损耗）调制型和相位（频率）调制型。振幅调制锁模的原理如图1所示，调制周期与光在腔内运行周期相同，使得光在损耗较低处输出功率大，损耗较高处输出功率小甚至为零，这样周期循环，光脉冲峰值强度不断加强，而两翼强度不断衰减，从而使脉宽不断压缩，最后得到窄脉冲。

图1 振幅调制锁模原理

另外，主动锁模中调制频率也可以是腔基频的N倍，可实现N次谐波锁模产生高重复频率锁模脉冲（可至GHz），在数据处理以及光通信领域具有显著优势。主动锁模常用于大容量光通信（Nyquist激光器 ）、超宽带信号处理，以及用于高速宽谱光频梳的产生。但主动锁模也同时存在一些限制因素，比如调制器件昂贵、输出脉宽较宽（量级）以及输出稳定性差等，这些都限制了主动锁模激光器的应用。

被动锁模

被动锁模是指在谐振腔中插入可饱和吸收体构成锁模激光器。可饱和吸收体的特点如图2所示，其透过率随入射光功率的增强而增大。当光脉冲通过可饱和吸收体时，脉冲中心部分的强度较大，故其透射率高；越靠近边沿的部分强度越小，所以透射率较低。即脉冲边沿部分损耗大于中心部分，通过可饱和吸收体后被窄化，在激光腔中多次循环之后，实现短脉冲输出。

图2 可饱和吸收体的特点

被动锁模使用的可饱和吸收体可以分为自然可饱和吸收体（如石墨烯、碳纳米管等）和等效可饱和吸收体（如非线性偏振旋转、非线性放大环形镜、非线性光学环形镜等），它们也都有各自的优势与不足。常见的可饱和吸收体的优势与不足可见表1。

表1 饱和吸收体的分类表

被动锁模的锁模过程自发完成，无需外加调制信号，结构简单，输出脉冲较窄（量级）。被动锁模可应用于其应用领域包括医学、光谱学、激光测距、激光雷达探测等。但其锁模很不稳定，锁模发生率仅为60%-70%，因此，被动锁模目前还停留在实验室研究阶段，市场上现有的锁模激光器多为主动锁模和自锁模。不过，研究人员已经将智能算法引入被动锁模光纤激光器，通过算法控制激光腔的锁模和输出稳定，该技术有望推动被动锁模激光器的商用化。另外，被动锁模获得高次谐波不太容易，而且不可控。

自锁模

除上述主动锁模和被动锁模两种方式以外，还有一种利用激光器中增益工作物质自身的非线性克尔效应实现锁模的方式，即自锁模，其原理如图3所示。

图3 自锁模原理

它通过激活介质自身的克尔效应产生自聚焦效应，将高斯光束聚焦到一个中心。如果此时将光阑放在一个激光光斑尺寸随强度增大而减少的位置，就可对光束同时进行强度以及相位的调制，获得短脉冲输出。由于自锁模只是利用了激光晶体的非线性效应及光阑获得锁模输出，而没有用到其他锁模原件，因此也可以归为被动锁模一类。

现有的自锁模激光器具有结构简单、抗损伤阈值高和波长范围广的优势，常用在固体激光器中，用于激光测距、医疗、雷达、加工等需要高功率激光输出的应用场景中，但是同样存在锁模输出不稳定的缺点。

总结

综上，我们可以发现，主动锁模与被动锁模在原理上的区别在于是否需要外加调制。主动锁模需要外加调制，除却激光腔外还需要外界辅助；被动锁模直接利用可饱和吸收体的强度调制性质，不需要外界辅助。

主动锁模、被动锁模和自锁模三种方式各自的优势和不足总结如表2所示。

表2 锁模的分类表