克尔透镜锁模技术自发明以来得到了迅速发展。还在不断地将这一技术推广应用于新的激光介质。它的理论描述 , 在轴对称情况下已比较完善。对于在有色散介质中的传输 ,讨论了它的一般特性 , 得到了有关的守恒量及脉宽束宽的微分方程。对2 + 1维的光束利用线性近似 , 得到了光束束宽的积分方程 , 再用数值法讨论了具有像散的克尔透镜锁模腔的特性。但还不太完善。一是只能用于小功率情形 , 相对功率 p≤ 0. 5; 二是精度不高 ; 三是数值计算须解二阶微分方程组 ,运算量太大。

在 固体激光 系统 中克 尔 透镜锁模 已经 成为 产 生飞秒 脉冲的最有效技术之 一 。 由于克 尔介质的准 瞬时响应 , 在具有 长 的增 益衰 减 寿命 的 固体激 光器 中已实现 短 至 1 1 f s 的脉冲川 。 目前 , 这种技术不仅在 掺钦 兰 宝 石 川 , 二极管激 光器 泵 浦的 Y L F和 Y A G 激光 器 中获得 应甩 , 而且 在理论上也 已作 了大量的分析及 数值计算。 但值得 指 出的是 , 目前 的实验 和理论都是基于激 光 相干泵 浦 的锁模激光 器 , 且 增 益介质 同时起 到 克 尔介质的作 用 。 它 的优 点是结构 简单 , 缺 点是克 尔 系数 不大 。 为 了 引入有大 克 尔系 数的介质 , 需要考 虑 增益 介质与 克 尔介质分离的情况 。 另外 , 对 于激 光 泵浦 的锁模激光器 , 增 益 介质 的热效应 不是 至 关重要的。但在 用灯泵浦 的激光器 中要 实现克 尔透镜锁模 , ( 比如 : 灯 泵浦 的 Y A G 激光 器 ) , 增益介质 的热透 镜效 应对克尔透镜锁模 的影 响将会变得很大。 因 而 , 对 于这类激光 器 , 讨论它 们实 现克尔透镜锁模的热 不灵敏条件是非 常必 要 的 。

第一次发现钛宝石激光器自锁模 (也指克尔透镜锁模)到目前为止, 各国激光物理研究人员对这种脉冲产生技术进行了各种阐述, 如今它成了超短脉冲产生的技术标准。 为了获得最短的脉冲持续时间, 人们已经进行了大量的实验研究工作, 特别是在精确控制激光谐振腔方面。 该论文中描述的是一个啁啾棱镜被专门用于高精度补偿的积极的群速度色散( GVD), 高阶相位色散, 以及应用于高掺杂激光棒。 克尔透镜来产生的飞秒脉冲已被应用于大多数固体激光材料。固体激光器通过谐振腔来进行锁模形成随时间和空间变化的激光辐射。 中间工作介质是泵浦激光晶体,它提供了有限的增益带宽。 由于固体激光材料增益脉冲, 可以得到增益饱和脉冲序列的平均能量。 在激光晶体中的克尔效应在 SPM(自相位调制)时间内由激光脉冲的自聚焦而引起。 自聚焦产生快速饱和的孔径损失或 SAM(自振幅调制)。

随着 InGaAs 半导体激光器技术的日益成熟和吸收波段在 0. 9 ～ 1. 1 μ m , 具有宽的荧光谱线并能够支持飞秒脉冲的掺 Yb3 +激光材料研究的不断发展,激光二极管(LD)直接抽运掺 Yb3 +晶体的飞秒激光器越来越受到人们的关注。其中 Yb∶ YAG 晶体具有不可比拟的优势, 其优异的导热性能(11 W /mK - 1)、高原子数分数掺杂(最高可达 30 %)和成熟的生长工艺 成为应用最广泛的 掺 Yb3 + 激 光晶体。它在理论上可以支持小于 100 fs 的脉冲输出, 并且具有高功率输出的潜力, 国际上对 Yb∶YAG 晶体进行了大量 的锁模脉冲输出实 验研究,目前可以测得的最窄脉冲宽度为 340 fs 。

在国内 ,天津大学利用半导体饱和吸收镜进行了 Yb∶ YAG 晶体被动锁模的实验研究。用激光二极管直接抽运实现克尔透镜锁模难度很大。原因在于, 克尔透镜锁模时抽运光在晶体内部形成软光阑,到达晶体内部的光斑小,焦深长 。而激光二极管输出光发散角很大, 所以需要对抽运光严格整形。值得注意的是, 植村祯夫等采用传统四镜谐振腔内插入硬光阑的方法实现了克尔透镜锁模 。采用五镜腔 , 在激光二极管直接抽运的条件下在 Yb∶ YAG 激光器中获得了克尔透镜锁模脉冲序列 。认为五镜腔可能更有利于克尔透镜锁模的启动而且不需要用硬光阑。

1991 年 Spence 等首次实现 Ti∶ sapphire 激光器的自锁模运转, 获得 60 fs 的激光脉冲。在以后的几年内,固体激光器的自锁模技术得到了飞速发展 ,理论和实验研究不断深入 。始于 Ti∶ sapphire 飞秒激光器的自锁模技术很快就扩展到其他固体激光器。 例如, 1992 年 K . X .Liu 等利用 Nd∶ YAG 同时作为增益介质和克尔介质 ,实现了二极管抽运的 Nd∶ YAG 激光器的克尔透镜锁模, 获得 8. 5 ps 的激光脉冲。 尽管 Nd ∶YAG 的 荧光 线 宽窄 (～ 13cm-1), 难以获得飞秒量级的光脉冲, 但它的量子效率高 、激光上能级寿命长(～ 230 μ s)、受激辐射截面大,具有优良的力学和热学性能,可用氙灯或氪灯抽运,能获得高能量激光输出, 所以对 Nd∶ YAG 锁模激光器的研究仍然有很大意义。目前脉冲式 Nd∶YAG 激光器普遍采用有机染料( 例如五甲川)作为可饱和吸收体实现被动锁模。

实验装置：

激光二极管抽运 Yb∶ YAG 晶体克尔透镜锁模实验装置采用五镜谐振腔结构 。 Yb∶YAG 晶体以布儒斯特角切割 ,晶体通光方向的长度为 3 m m ,掺杂原子数分数为 10 %。 M1 和 M2 是镀有对抽运光高透和对振荡光高反双色膜的凹面反射镜,其曲率半径分别为 R1 =R2 =75 m m 。 M3 是凹面全反镜 ,曲率半径 R3 =50 mm 。 M4 是 2 %耦合输出镜 。M′ 4 和 M5 是全反镜。 P1 和 P2 是布儒斯特角切割的重火石玻璃(ZF4)棱镜对, 棱镜对间隔为275 mm , 对于中心波长 1038 nm , 此时引入的二阶色散量和三阶色散量分别为 - 3028 fs2 和 - 11000fs3,腔内晶体和棱镜对共同引入的二阶和三阶色散量分别为 2989 fs2 和 8023 fs3 。总腔长为 160 cm ,像散补偿角半角为 8°。激光二极管是抽运源, 波长为 930 nm ,发光截面为 1 μ m ×100 μ m ,最大输出功率为 3 W 。抽运光经过整形系统, 近似变为平行光 ,然后经过焦距为 45 mm 的会聚透镜 L 将抽运光聚焦到晶体上 ,到达晶体内部光斑尺寸约为 50 μ m ×30μ m。