超短脈沖光的�(chǎn)生之所以重要是因為可以通過控制激光的相干光波�(chǎn)生脈沖光, 其時間寬度超出電子學所控制的范�。從廣義上講, 超短脈沖光是指小�1 ns 的脈沖光�
在激光中,超短脈沖光的�(chǎn)生之所以重要是因為可以通過控制激光的相干光波�(chǎn)生脈沖光, 其時間寬度超出電子學所控制的范疇。從廣義上講, 超短脈沖光是指小�1 ns 的脈沖光�20 世紀60 年代中期, 科學家們對由閃光燈進行脈沖振蕩的紅寶石激光器和摻Nd 激光器�(chǎn)生的鎖模超短脈沖光展開了實驗性研�。從�, 短脈沖光的產(chǎn)生技�(shù)從鎖模亞皮秒脈沖步入到飛秒脈�。近年來, 超短脈沖光技�(shù)得到了普�, �20 世紀90 年代以來, 各種可調(diào)諧超短脈沖鎖模固體激光器達到了實用化。可�(diào)諧激光器是一種激光下能級處于振動激�(fā)狀�(tài), 使振蕩頻帶加寬的光子限定激光器(Photon terminatedlaser)。典型的鈦寶石激光器的工作穩(wěn)�, 實現(xiàn)了平均輸出功率為1 W的超�( 最短約�5 fs) 脈沖�。若采用摻Y(jié)b 離子的激光晶�, 則可獲得更高平均輸出功率的亞皮秒脈沖輸出。半導體激光器具有弛豫�, 可對泵浦( 電流)進行高速調(diào)制的特點, 因此即使不用鎖模, 利用增益過渡�(xiàn)象也可產(chǎn)生皮�?yún)^(qū)( 10- 10~10- 12 s) 的超短脈沖光�
最近開�(fā)成功的小型皮秒和飛秒脈沖激光器使超短脈沖光源有了長足發(fā)�。從光的利用角度考慮對超短脈沖光源的要求,是有效利用時�( 超高速�) 的特點還是利用短時間集中光能量的高峰值強度是兩大研究方向。在實際應用�, 這兩個方向密切相�(guān)。從上述觀點出�(fā),限度地追求光源性能, 實現(xiàn)更短脈沖光的�(chǎn)生和更高峰值強度是促進這一技�(shù)�(fā)展的原動�。另�, 對新光源的性能進行改�, 對發(fā)�(xiàn)的新功能或新�(xiàn)象進行普及并使其達到實際應�; 提高光源的可靠性、穩(wěn)定性和壽命及降低成本也是技�(shù)開發(fā)的關(guān)�。除提高脈寬和脈沖能量外, 提高光束�(zhì)量也是極為重要的研究課題。這對該技�(shù)�(lǐng)域的�(fā)展影響極�, 如從時間和空間上限度地提高相干性就屬于這種情況�
人們在研究超短脈沖激光技�(shù)的發(fā)展過程中積累了許多經(jīng)�, 如有效地�(chǎn)生高強度脈沖并在�(chǎn)生脈沖階段盡量獲得高能量脈沖; 對直接產(chǎn)生的高強度超短脈沖等進行了各種嘗�, 并獲得了研究成果,為該�(lǐng)域的�(fā)展做出了貢獻。然而在�(chǎn)生和利用高強度脈沖過程中, 卻出�(xiàn)了光脈沖的相干性或波形、波長等的重復性和可靠性不理想等問�。因�, 所選擇的鎖模激光振蕩器的高重復脈沖輸出, 并進行高倍率放大的方式已成為主流。雖然每個脈沖的能量�, 但脈沖發(fā)生源利用連續(xù)振蕩鎖模激光器很容易獲得相干性好的脈��
�1 給出了近年來常用的超短脈沖激光器的特點和主要應用�(lǐng)�, 超短脈沖激光器在醫(yī)療和光記錄等方面具有廣闊的應用前�, 目前很多應用均處于實用化的試驗階�, 其中包括在物理科學研究中的應��
該項技�(shù)的另一個特點是所用脈沖范圍很�,如在信息通信應用�, 能量小的單脈�( pJ �) 的超高重復頻率為100 GHz 以上; 在測量等應用�,在nJ 到mJ 級的能量范圍以高重復頻率工作; 在高強度量子科學研究應用�, 用單頻脈沖可達到拍瓦( PW) 級的高峰值強�。就波長而言, 通過超短脈沖激光輸出波長的�(zhuǎn)�, 可以處理從數(shù)納米的軟X射線區(qū)到相當于亞毫米波�(chǎn)生的THz 脈沖。從應用角度考慮超短脈沖激光器的現(xiàn)狀, 大致可分為以下三��
( 1) 物理科學研究用激光器。這是最早確立的超短脈沖激光裝置的應用�(lǐng)域。因為這種應用對脈沖特性提出了各種要求, 如波�、脈寬和脈沖能量�, 因此可采用多種激光器包括染料激光器和準分子激光器。在注重性能, 不考慮成本的情況下, 多采用固體激光器。固體激光器性能靈活( 脈沖能量或重復頻率等參數(shù)的可�(diào)諧范圍比較寬) , 如用于核聚變點火的激光器或在各種研究設備中開�(fā)利用的大�(guī)模激光系�(tǒng)均歸于此類�
( 2) 有望作為工業(yè)設備應用的激光器。主要考慮用于測量和加工領(lǐng)�。利用短脈沖激光可獲得理想的加工結(jié)�, 但要考慮設備的可靠性或維修性和成本等。近年來, 隨著鎖模固體激光器可靠性的提高和高功率光纖激光器的出�(xiàn), 人們對該領(lǐng)域的�(fā)展寄予厚��
( 3) 作為光信息通信系統(tǒng)器件的半導體激光器和光纖激光器。就這一�(chǎn)�(yè)應用而言, 社會效益, 但同時也易受市場行情、信息通信政策等社會狀況的影響。人們對IT 泡沫的破滅所帶來的行�(yè)蕭條記憶猶新。除器件的性能�, 還必須考慮其可靠性、成本和�(huán)保等問題, 且技�(shù)要求嚴格。從長遠�, 通信�(lǐng)域是一個期望值的�(lǐng)域�
鎖模固體激光器的特�
用固體激光介�(zhì)�(chǎn)生超短脈沖幾乎均采用鎖模方式。與其他介質(zhì)相比, 固體激光具有如下特�:( 1) 可獲�5 fs ( 當使用Ti3+∶寶石激光器�) 的極短脈�, 這是從所有類型激光振蕩器中直接獲得的最短脈�; ( 2) 可獲得高平均功率和高能量密度。特�( 1) 反映�10 年間Ti3+∶寶石寬帶可�(diào)諧激光器幾乎替代了所有鎖模染料激光器。主要原因是固體激光介�(zhì)比有機染料激光介�(zhì)( 在Ti3+∶寶石激光器之前, 用作�(shù)皮秒�30 fs 波段光脈沖光�) 的耐久性好, 操作方便。特�(2)所采用的光源是指具有較長歷史的燈泵浦Nd3+∶YAG 等鎖模激光器。近年來,隨著半導體激光泵浦技�(shù)的發(fā)展和小型高功率摻Y(jié)b3+∶激光器的問�, 脈寬和功率兩方面的性能均得到了進一步提�, 其應用范圍亦有所拓展。與固體激光器一�, 光纖激光器和半導體激光器的鎖模技�(shù)也得到了�(fā)�, 皮秒、亞皮秒時域脈沖光源也將這些小型激光器裝入通信系統(tǒng)或測量設備中, 并正得到推廣應用。對大型鎖模固體激光器而言, 實現(xiàn)其他激光器難以達到的短脈沖或高平均功率以及有效利用( 需要外部放�) 能量存儲功能的高峰值功率的短脈沖已成為技�(shù)開發(fā)的重��
鎖模方式
幾乎所有固體激光振蕩器均采用燈或其他光泵浦??捎瞄W光燈泵浦脈沖, 并以相當于上能級壽命的時間或用Q 開關(guān)進行更短時間的過渡性振�, 還可用弧光燈連續(xù)泵浦實現(xiàn)�(wěn)定的連續(xù)振蕩。雖然所采用的鎖模方式使每個脈沖的能量變大, 但近年來多采用脈沖的相干性、重復性和�(wěn)定性好的連續(xù)振蕩鎖模激光器。在需要高能量脈沖�, 對振蕩器的輸出功率采取外部放大措�。雖然燈泵浦成本較低,但存在著壽命、老化和放電所帶來的噪聲等問題,因此利用高功率半導體激光泵�( 除采用直接泵浦外, 還有用半導體激光泵浦的固體激光器作泵浦源的間接方�) �(xiàn)已成為主流方式�
當脈寬較�( 300~30 ps) �, 往往采用有源鎖模方式并以外部信號�(diào)制諧振腔�(nèi)的損�。在典型的固體激光諧振腔�, 與諧振腔�(nèi)的光脈沖往返時�( round- trip time) 相當?shù)妮敵雒}沖的重復頻率�100 MHz, 并不需要每一次的�(diào)制。通常采用喇曼—萘斯衍�( Raman—Nath diffraction) 聲光�(diào)制器, 相位�(diào)制器也可是鎖模方�, 以用于提高重復頻��
在需要更短脈寬時, 可用無源�?;蛴性存i�,并常用脈沖泵浦的固體激光器�(diào)制利用可飽和吸收( 降低強光吸收率的性質(zhì)) 染料的無源損�。另�,初期的連續(xù)振蕩鎖模固體激光器在可飽和吸收時不能自控Q 開關(guān), 因此難以獲得�(wěn)定的鎖模脈沖序列。近年來, 隨著短脈沖技�(shù)�( 利用非諧振非線性折射率可飽和吸收獲得的) 等效效應技�(shù)的發(fā)�,無源鎖模方式已得到實際應�??娠柡臀詹牧鲜且环N具有快速吸收恢復時間的半導體薄�, 可單獨使用也可與其他方式并用。下面主要介紹鎖模固體激光器。固體激光介�(zhì)使用廣泛, 大體可分�: ( 1) 要求短脈寬的激光器;( 2) 重視效率和功率的激光器�
以產(chǎn)生短脈沖為特點的各種激光器
Ti3+∶寶石激光器
限制激光脈寬的主要因素有兩�: 激光介�(zhì)的增益頻帶和諧振腔內(nèi)的群速色�。近年來, 新開�(fā)的一種技�(shù)能補償諧振腔�(nèi)固體激光晶體的物質(zhì)色散, 所能達到的最短脈寬取決于增益頻帶。Ti3+∶Al2O3 ( 鈦寶�) 激光器的增益頻帶最寬可�660~1100 nm 波段振蕩, 鈦寶石是一種有望產(chǎn)生最短脈沖的介質(zhì)。這種介質(zhì)幾乎能在增益頻帶的全域進行鎖模振蕩, 由振蕩器直接�(chǎn)生約5 fs 的脈寬。Ti3+∶寶石激光器采用了鎖模固體激光器的主要技�(shù)。這是一種針對鎖模方式進行最詳細的實驗性研究的激光器,要設計泵浦光和振蕩光的空間模�, 必須使晶體內(nèi)的最小束徑小�100 !m。在幾乎所有場�, 均利用激光晶體中非線性折射效應的鎖模方式�(chǎn)生脈�, 因此在設計時必須考慮�(gòu)成諧振腔的多個平面鏡和凹面鏡的空間模��
最常用的克爾鏡鎖模是基于激光晶體材�, 并利用非諧振條件下的非線性折射率, 因此響應速度極快, 是理想的“快速吸收材料”。然而在很多情況�, 連續(xù)振蕩( CW) 狀�(tài)和鎖�(ML) 狀�(tài)同時存在, 振蕩開始時為CW 狀�(tài), 而ML 狀�(tài)不能自啟�, 因此為了確保ML 狀�(tài), 一般采用輔助手��
SESAM被認為是目前最有效的方法之一。通過鎖模獲得的脈寬取決于諧振腔中的群時延色散。在固體激光器�, 增益介質(zhì)晶體的物�(zhì)色散比染料激光器的射流薄�( 厚約0.2 mm) 大一個數(shù)量級, 因此必須利用色散補償技�(shù)。具體做法是采用損耗小的布儒斯特棱鏡對或色散補償鏡對振蕩器�(nèi)的色散進行補償。棱鏡對是利用折射角的波長依賴關(guān)系補償群時延色散; 色散補償鏡是通過反射鏡反射時補償群時延色�。這種電介�(zhì)多層膜鏡是專為超短脈沖激光器設計的。最短的脈沖記錄�5 fs,可通過如下方法獲得, 即對晶體、棱鏡對和反射鏡的色散特性進行�(yōu)化設�, 以減少諧振腔�(nèi)的色�,盡量消除脈沖變形的因素。與其用振蕩波長( 800 nm)和泵浦光波長( 515 nm)吸收系數(shù)之比顯示晶體的質(zhì)�, 不如用靈敏�( FOM�) 顯示。鎖模振蕩器所用晶體的FOM值須達到150 左右。高密度晶體會降低FOM�, 因而早期只采用對泵浦光吸收系數(shù)! 約為1 cm的晶�(長度�10~20mm)。近年來, 晶體的吸收系�(shù)!=6 cm達到了很好的�(zhì)�, 長度有可能縮短至2~3 mm。薄晶體容易補償諧振腔內(nèi)的色�, 并有利于�(chǎn)生短脈沖, 但在高密度晶體中很難消除泵浦�(chǎn)生的�,容易�(chǎn)生熱應變, 因此必須引起注意�3.3.2. Cr3+∶LiSAF, Cr3+∶LiCAF 等固體激光器近年�, 采用高功率半導體激光泵浦的固體激光器的小型化和高功率化得到發(fā)展。對激光下能級伴有聲子輻射的所謂可�(diào)諧固體激光器而言, 采用半導體激光直接泵浦有利于實現(xiàn)小型�。Ti3+∶寶石激光器所需泵浦光密度相當高, 因此不能用綠光半導體激光直接泵�, 要振蕩摻Nd3+∶激光器使其�(zhuǎn)換成2 倍波泵浦�。與此相�, Cr3 +∶LiSrAlF6 (Cr ∶LiSAF) 激光器的可振蕩波長范圍�780~1000 nm( 當脈沖泵浦時, 連續(xù)振蕩范圍略窄一�) , 比Ti3+∶寶石激光器�, 但振蕩所需的泵浦功率密度卻比Ti3+∶寶石激光器低得�, 可用波長約為680 nm 的半導體激光泵浦實�(xiàn)連續(xù)振蕩和鎖�。Cr3+∶LiCaAlF6(Cr∶LiCAF) 和Cr3+∶LiSrGaF6 (Cr∶LiSGAF) 等晶體均能獲得相同鎖模的激光振�, 但特性各��
許多研究報告報道了利用該介質(zhì)的優(yōu)�, 用半導體激光直接泵浦的小型低價格的飛秒激光振蕩器的脈寬已達到小于10 fs 的最短記錄�
長波長激光器
對采用Ti3+∶寶石或Cr3+∶LiSAF 等并在飛�?yún)^(qū)長波長振蕩的鎖模固體激光器而言, 當特別需要短脈沖�, 采用Cr4+離子躍遷的Cr4+∶鎂橄欖�(Mg2SiO4) 激光器( 振蕩波長1170 ~1370 nm) 或Cr4 +∶YAG(Y3Al5O12) 激光器( 振蕩波長1340~1560 nm)。Cr4+∶Mg2SiO4 鎖模激光器采用了與上述各類激光器相同的技�(shù)。增益隨晶體的冷卻而增�, 因此希望在容許結(jié)露的范圍�(nèi)冷卻, �- 15℃~5℃溫度條件下使用。晶體溫度為5℃時, �6 W 泵浦飛秒?yún)^(qū)鎖模脈沖的輸出功率約�100 mW。輸出鏡的透射率約�2%, 必須盡量降低諧振腔內(nèi)的損�。晶體的熱傳導也低于鈦寶�, 因此摻雜濃度不能太高, 一般適宜的吸收系數(shù)�0.34 cm- 1。但當產(chǎn)生短脈沖�,常采用高密度晶體, �2.4 cm- 1 的吸收系�(shù)使晶體縮短至5 mm。為降低振蕩波長的殘余吸�, 對生長的晶體進行熱處�。目�, 高密度晶體很難達到高FOM值和�(wěn)定的�(zhì)�, 典型的FOM�( 1064 nm �1250 nm 時的吸收�) 約為30�
采用半導體激光泵浦的Nd∶YVO4 激光器作泵浦源可實�(xiàn)波長約為1.06 "m 的摻Nd3+固體激光的輸出。有�(guān)用半導體激光直接連續(xù)振蕩的研究也見有報道, 當鎖模方式需要更高輸出的情況�, 希望提高1.06 "m 波長半導體激光的輸出功率和亮�。相�(guān)科學家認�, 目前用半導體光纖激光器( 相同輸出波長�1.06 "m) 作泵浦源有利于實�(xiàn)小型化。這種激光器的超短脈沖光的振蕩波長有利于對細胞的滲�, 因此有望在生物醫(yī)學方面得到應�。Cr4+∶YAG 鎖模激光器仍由色心激光器獲得振蕩波長。這種激光器具有工作�(wěn)�、壽命長,不用液氮冷卻即可在室溫下工作的優(yōu)�, 因此倍受用戶青睞?,F(xiàn)獲得的最短脈沖為20 fs�
維庫電子�,電子知�,一查百��
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