超短脉冲激光器

超短脉冲激光器用于控制激光的相干光波产生脉冲光的激光器011超短脉冲激光技术的历史与现状3超短脉冲固体激光器2光源的特点与应用目录0302基本信息超短脉冲光的产生之所以重要是因为可以通过控制激光的相干光波产生脉冲光,其时间宽度超出电子学所控制的范畴。从广义上讲,超短脉冲光是指小于1ns的脉冲光。1超短脉冲激光技术的历史与现状1超短脉冲激光技术的历史与现状在激光中,超短脉冲光的产生之所以重要是因为可以通过控制激光的相干光波产生脉冲光,其时间宽度超出电子学所控制的范畴。从广义上讲,超短脉冲光是指小于1ns的脉冲光。20世纪60年代中期,科学家们对由闪光灯进行脉冲振荡的红宝石激光器和掺Nd激光器产生的锁模超短脉冲光展开了实验性研究。从此,短脉冲光的产生技术从锁模亚皮秒脉冲步入到飞秒脉冲。近年来,超短脉冲光技术得到了普及,自20世纪90年代以来,各种可调谐超短脉冲锁模固体激光器达到了实用化。可调谐激光器是一种激光下能级处于振动激发状态,使振荡频带加宽的光子限定激光器(Photonterminatedlaser)。典型的钛宝石激光器的工作稳定,实现了平均输出功率为1W的超短(最短约为5fs)脉冲光。若采用掺Yb离子的激光晶体,则可获得更高平均输出功率的亚皮秒脉冲输出。半导体激光器具有弛豫快,可对泵浦(电流)进行高速调制的特点,因此即使不用锁模,利用增益过渡现象也可产生皮秒区(10-10~10-12s)的超短脉冲光。

最近开发成功的小型皮秒和飞秒脉冲激光器使超短脉冲光源有了长足发展。从光的利用角度考虑对超短脉冲光源的要求,是有效利用时域(超高速性)的特点还是利用短时间集中光能量的高峰值强度是两大研究方向。在实际应用中,这两个方向密切相关。从上述观点出发,最大限度地追求光源性能,实现更短脉冲光的产生和更高峰值强度是促进这一技术发展的原动力。另外,对新光源的性能进行改进,对发现的新功能或新现象进行普及并使其达到实际应用;提高光源的可靠性、稳定性和寿命及降低成本也是技术开发的关键。除提高脉宽和脉冲能量外,提高光束质量也是极为重要的研究课题。2光源的特点与应用2光源的特点与应用表1给出了近年来常用的超短脉冲激光器的特点和主要应用领域,超短脉冲激光器在医疗和光记录等方面具有广阔的应用前景,目前很多应用均处于实用化的试验阶段,其中包括在物理科学研究中的应用。该项技术的另一个特点是所用脉冲范围很宽,如在信息通信应用中,能量小的单脉冲(pJ级)的超高重复频率为100GHz以上;在测量等应用中,在nJ到mJ级的能量范围以高重复频率工作;在高强度量子科学研究应用中,用单频脉冲可达到拍瓦(PW)级的高峰值强度。就波长而言,通过超短脉冲激光输出波长的转换,可以处理从数纳米的软X射线区到相当于亚毫米波产生的THz脉冲。从应用角度考虑超短脉冲激光器的现状,大致可分为以下三类。

(1)物理科学研究用激光器。这是最早确立的超短脉冲激光装置的应用领域。因为这种应用对脉冲特性提出了各种要求,如波长、脉宽和脉冲能量等,因此可采用多种激光器包括染料激光器和准分子激光器。在注重性能,不考虑成本的情况下,多采用固体激光器。固体激光器性能灵活(脉冲能量或重复频率等参数的可调谐范围比较宽),如用于核聚变点火的激光器或在各种研究设备中开发利用的大规模激光系统均归于此类。

(2)有望作为工业设备应用的激光器。主要考虑用于测量和加工领域。利用短脉冲激光可获得理想的加工结果,但要考虑设备的可靠性或维修性和成本等。近年来,随着锁模固体激光器可靠性的提高和高功率光纤激光器的出现,人们对该领域的发展寄予厚望。(3)作为光信息通信系统器件的半导体激光器和光纤激光器。3超短脉冲固体激光器锁模固体激光器的特点以产生短脉冲为特点的各种激光器锁模方式3超短脉冲固体激光器锁模固体激光器的特点用固体激光介质产生超短脉冲几乎均采用锁模方式。与其他介质相比,固体激光具有如下特点:(1)可获得5fs(当使用Ti3+∶宝石激光器时)的极短脉冲,这是从所有类型激光振荡器中直接获得的最短脉宽;(2)可获得高平均功率和高能量密度。特点(1)反映出10年间Ti3+∶宝石宽带可调谐激光器几乎替代了所有锁模染料激光器。主要原因是固体激光介质比有机染料激光介质(在Ti3+∶宝石激光器之前,用作数皮秒到30fs波段光脉冲光源)的耐久性好,操作方便。特点(2)所采用的光源是指具有较长历史的灯泵浦Nd3+∶YAG等锁模激光器。近年来,随着半导体激光泵浦技术的发展和小型高功率掺Yb3+∶激光器的问世,脉宽和功率两方面的性能均得到了进一步提高,其应用范围亦有所拓展。与固体激光器一样,光纤激光器和半导体激光器的锁模技术也得到了发展,皮秒、亚皮秒时域脉冲光源也将这些小型激光器装入通信系统或测量设备中,并正得到推广应用。对大型锁模固体激光器而言,实现其他激光器难以达到的短脉冲或高平均功率以及有效利用(需要外部放大)能量存储功能的高峰值功率的短脉冲已成为技术开发的重点。

锁模方式几乎所有固体激光振荡器均采用灯或其他光泵浦。可用闪光灯泵浦脉冲,并以相当于上能级寿命的时间或用Q开关进行更短时间的过渡性振荡,还可用弧光灯连续泵浦实现稳定的连续振荡。虽然所采用的锁模方式使每个脉冲的能量变大,但近年来多采用脉冲的相干性、重复性和稳定性好的连续振荡锁模激光器。在需要高能量脉冲时,对振荡器的输出功率采取外部放大措施。虽然灯泵浦成本较低,但存在着寿命、老化和放电所带来的噪声等问题,因此利用高功率半导体激光泵浦(除采用直接泵浦外,还有用半导体激光泵浦的固体激光器作泵浦源的间接方式)现已成为主流方式。

当脉宽较长(300~30ps)时,往往采用有源锁模方式并以外部信号调制谐振腔内的损耗。在典型的固体激光谐振腔中,与谐振腔内的光脉冲往返时间(round-triptime)相当的输出脉冲的重复频率为100MHz,并不需要每一次的调制。通常采用喇曼—萘斯衍射(Raman—Nathdiffraction)声光调制器,相位调制器也可是锁模方式,以用于提高重复频率。在需要更短脉宽时,可用无源锁模或有源锁模,并常用脉冲泵浦的固体激光器调制利用可饱和吸收(降低强光吸收率的性质)染料的无源损耗。另外,初期的连续振荡锁模固体激光器在可饱和吸收时不能自控Q开关,因此难以获得稳定的锁模脉冲序列。近年来,随着短脉冲技术和(利用非谐振非线性折射率可饱和吸收获得的)等效效应技术的发展,无源锁模方式已得到实际应用。可饱和吸收材料是一种具有快速吸收恢复时间的半导体薄膜,可单独使用也可与其他方式并用。下面主要介绍锁模固体激光器。以产生短脉冲为特点的各种激光器Ti3+∶宝石激光器限制激光脉宽的主要因素有两点:激光介质的增益频带和谐振腔内的群速色散。近年来,新开发的一种技术能补偿谐振腔内固体激光晶体的物质色散,所能达到的最短脉宽取决于增益频带。Ti3+∶Al2O3(钛宝石)激光器的增益频带最宽可在660~1100nm波段振荡,钛宝石是一种有望产生最短脉冲的介质。这种介质几乎能在增益频带的全域进行锁模振荡,由振荡器直接产生约5fs的脉宽。Ti3+∶宝石激光器采用了锁模固体激光器的主要技术。这是一种针对锁模方式进行最详细的实验性研究的激光器,要设计泵浦光和振荡光的空间模式,必须使晶体内的最小束径小于100!m。在几乎所有场合,均利用激光晶体中非线性折射效应的锁模方式产生脉冲,因此在设计时必须考虑构成谐振腔的多个平面镜和凹面镜的空间模式。

最常用的克尔镜锁模是基于激光晶体材料,并利用非谐振条件下的非线性折射率,因此响应速度极快,是理想的“快速吸收材料”。然而在很多情况下,连续振荡(CW)状态和锁模(ML)状态同时存在,振荡开始时为CW状态,而ML状态不