超短光脈沖目前被廣泛應(yīng)用于計量學(xué)、通信、光譜學(xué)、太赫茲科學(xué)、眼科學(xué)和材料加工等領(lǐng)域。本文旨在概述最重要的技術(shù)，并簡要討論其潛力。

超短光脈沖目前被廣泛應(yīng)用于計量學(xué)、通信、光譜學(xué)、太赫茲科學(xué)、眼科學(xué)和材料加工等領(lǐng)域。考慮到這種巨大的多樣性，所需的脈沖參數(shù)（如脈沖能量和持續(xù)時間、重復(fù)率和波長）分布在多維參數(shù)空間的一個巨大區(qū)域上也就不足為奇了。

此外，應(yīng)用可能需要其他特性，如緊湊性、多年可靠運行、能效、低冷卻要求、高光束質(zhì)量和低價格。由于這些原因，超短脈沖有各種非常不同的激光源。本文旨在概述最重要的技術(shù)，并簡要討論其潛力。

皮秒和飛秒激光器

超短脈沖在大多數(shù)情況下是由鎖模激光器產(chǎn)生的。在這里，單個皮秒或飛秒脈沖，或者有時是規(guī)則間隔的脈沖串，在激光腔內(nèi)循環(huán)（圖1）。各種效應(yīng)作用于循環(huán)脈沖，但通常此類激光器在穩(wěn)定狀態(tài)下運行，其中脈沖參數(shù)或多或少恒定，或至少在每次完成腔往返后再現(xiàn)。每次脈沖擊中部分傳輸輸出耦合器反射鏡時，將發(fā)射一個脈沖作為有用輸出，輸出脈沖形成一個規(guī)則間隔的脈沖序列。

圖1用SESAM被動鎖模的二極管泵浦飛秒體激光器的腔設(shè)置。諧振器中的棱鏡對用于色散補償。

主動和被動技術(shù)可用于強制發(fā)射此類脈沖，而不是例如連續(xù)波光。主動鎖模使用內(nèi)腔調(diào)制器，它定期調(diào)制損耗或相移，與腔往返同步。雖然主動損耗調(diào)制的有限速度通常僅在數(shù)十皮秒的脈沖持續(xù)時間內(nèi)才會降低，但在可飽和吸收體中，被動損耗調(diào)制可能會產(chǎn)生更短的脈沖。在極端情況下，脈沖持續(xù)時間僅為幾飛秒。特別是對于非常短的脈沖，激光腔內(nèi)的色散和非線性效應(yīng)非常重要，并引入了一些關(guān)鍵的設(shè)計問題。

基于稀土摻雜激光晶體、玻璃或過渡金屬摻雜晶體（例如Ti:sapphire）的鎖模固態(tài)體激光器通常使用單個循環(huán)脈沖工作，腔往返時間在1 ns到100 ns（納秒）之間，導(dǎo)致脈沖重復(fù)率達到數(shù)十或數(shù)百MHz。典型的平均輸出功率約為1 W，這導(dǎo)致脈沖能量約為1至100 nJ。

更高的能量，例如幾微焦耳

鎖模高功率薄片激光器可以產(chǎn)生更高的平均功率。另一種策略是實現(xiàn)較低的脈沖重復(fù)率，但這往往會導(dǎo)致不切實際的長激光腔和腔內(nèi)的強非線性效應(yīng)。鎖模光纖激光器還可以產(chǎn)生皮秒或飛秒脈沖，有時具有顯著的波長可調(diào)諧性，在大多數(shù)情況下，重復(fù)頻率低于100 MHz甚至10 MHz。通過添加復(fù)雜的諧波鎖模功能，也可以實現(xiàn)多GHz重復(fù)頻率。其他激光增益介質(zhì)允許到達其他參數(shù)區(qū)域，例如，來自半導(dǎo)體激光器的極高脈沖重復(fù)率（低脈沖能量），或來自染料激光器的其他波長（例如可見光）。然而，除了電信以外，離子摻雜固態(tài)增益介質(zhì)在科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖2 腔傾倒皮秒激光器的設(shè)置。

微焦耳脈沖的腔傾倒

即使使用強聚焦激光束進行微加工，通常也需要比大多數(shù)鎖模激光器更高的脈沖能量，而較低的脈沖重復(fù)率（因此中等的平均功率）通常是可以接受的。這可能是一種使用腔傾倒鎖模激光器的情況，該激光器包含一個電控光開關(guān)（例如Pockels池和薄膜偏振器）。在大多數(shù)情況下，空腔損耗盡可能低，以便在空腔中形成強烈的脈沖。當(dāng)重復(fù)頻率為往返頻率的一部分（例如100 kHz或1 MHz）時，操作開關(guān)以將循環(huán)脈沖的大部分能量提取到輸出。因此，可以獲得多個微焦耳。然而，人們不應(yīng)將腔轉(zhuǎn)儲器視為任何鎖模激光器的簡單附加組件；例如，該裝置引入的額外非線性和色散，以及隨時間變化的腔內(nèi)脈沖能量，可能會完全改變脈沖成形過程，并且可能變得難以達到穩(wěn)定性和很短的脈沖持續(xù)時間。

Bulk放大器和光纖放大器

更高脈沖能量的概念上更簡單的方法是在全激光重復(fù)率下放大整個輸出，以獲得更高的平均功率（或者，可以使用放置在種子激光之后的脈沖選擇器降低脈沖重復(fù)率）�；�于固態(tài)塊體晶體的器件的高放大系數(shù)通常需要安排多次穿過晶體。（特別是對于fem-tosecond放大器，單程增益相當(dāng)有限。）在這方面，光纖放大器更簡單，因為它可以在單程中產(chǎn)生高增益，并具有比大多數(shù)晶體更寬的增益帶寬。然而，在這里，長光纖的色散，尤其是強非線性，可能會對脈沖產(chǎn)生嚴(yán)重的有害影響，例如強加寬甚至脈沖破裂。這種效應(yīng)對于短脈沖尤其強烈，并且會嚴(yán)重限制可實現(xiàn)的脈沖能量。因此，此類光纖放大器通常以高重復(fù)率運行，例如數(shù)十或數(shù)百MHz，其強度比脈沖能量更接近平均功率。

C +L波段高功率光纖放大器

再生放大器

如果脈沖重復(fù)率低于10 kHz，則許多毫焦耳甚至幾個焦耳的脈沖能量與幾瓦或幾十瓦的仍然中等平均功率兼容。這種低重復(fù)率可以很容易地實現(xiàn)，例如在鎖模激光器后面使用電光脈沖選擇器。為了放大這樣的脈沖，通常使用再生放大器。這種裝置包含一個基本上類似于體激光器的諧振器，但帶有一個或兩個光學(xué)開關(guān)（通常為電光型），用于注入種子脈沖，并在選定數(shù)量的腔往返后提取放大脈沖。通過數(shù)百或數(shù)千次往返，即使使用增益相對較低的塊狀激光晶體，也可以輕松實現(xiàn)極高的增益。

再生放大器。Pockels電池與四分之一波片和薄膜偏振器（TFP）相結(jié)合，起到光開關(guān)的作用。Faraday旋轉(zhuǎn)器允許分離輸入和輸出脈沖。

與空腔傾倒系統(tǒng)相比，再生放大器可以達到更高的脈沖能量，因為脈沖形成和放大過程是相互解耦的。單獨種子激光器的要求可以被視為實現(xiàn)優(yōu)異性能的合理價格，同時避免了通常與“一體式”方法相關(guān)的各種嚴(yán)重技術(shù)挑戰(zhàn)。

Chirped脈沖放大

峰值功率是一個限制因素，尤其是在光纖放大器中，但在再生放大器中也是如此。一種常用的解決方案是Chirped脈沖放大。這里，首先使用色散元件（例如光柵對）在脈沖進入實際放大器之前將脈沖拉伸到例如數(shù)納秒的持續(xù)時間。在最后的放大器級之后，應(yīng)用另一個色散基本相反的元件，從而有節(jié)奏地重新壓縮脈沖。這意味著，與輸出峰值功率相比，放大器內(nèi)的峰值功率降低了幾個數(shù)量級。

Chirped脈沖放大原理圖

根據(jù)某些基礎(chǔ)研究領(lǐng)域（如高強度物理）的要求，Chirped脈沖放大目前廣泛用于飛秒脈沖中毫焦耳甚至焦耳級脈沖能量的體放大器系統(tǒng)。原則上，它也非常適合光纖設(shè)備。然而，在此類系統(tǒng)中使用體光柵壓縮器部分消除了光纖系統(tǒng)的實際優(yōu)勢，因為脈沖部分在空氣中傳播，而將其重新發(fā)射到光纖中需要精確對準(zhǔn)。然而，目前這種全光纖Chirped脈沖放大器系統(tǒng)的技術(shù)還沒有完全開發(fā)出來。

參數(shù)振蕩器、發(fā)生器和放大器

為了獲得其他感興趣的波長，可以使用各種參數(shù)化器件。利用鎖模激光器同步泵浦的光參量振蕩器可以提供波長可調(diào)的皮秒或飛秒脈沖。在某些情況下，甚至可以省略振蕩器腔，以獲得一個非常簡單的參數(shù)發(fā)生器。特別令人感興趣的是參量放大器，它在通過非線性晶體的單程中提供非常高的增益，并具有很寬的放大帶寬。與Chirped脈沖放大相結(jié)合，這種放大器現(xiàn)在甚至用于產(chǎn)生太瓦特峰值功率。放大器內(nèi)的強脈沖拉伸也允許使用強大的調(diào)Q激光器作為泵浦源。

結(jié)論

我們已經(jīng)看到，存在各種不同的超短脈沖源，這不僅是因為激光增益介質(zhì)的選擇很好，還因為實現(xiàn)高脈沖能量的方法非常不同。根據(jù)經(jīng)驗，通�？梢灾苯訌逆i模激光獲得納米焦耳脈沖，從腔傾倒激光器獲得微焦耳，從再生放大器獲得毫焦耳或焦耳。對于中等脈沖能量和高平均功率的組合，基于光纖的放大器系統(tǒng)可能會很有趣。極高的輸出峰值功率要求啁啾脈沖放大與體放大器系統(tǒng)相結(jié)合，而參數(shù)化設(shè)備可以提供廣泛的波長范圍，但也可以提供簡單的高增益脈沖放大。

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