揭开“超短脉冲激光器”的神秘面纱

光电资讯2020-05-19自20世纪60年代问世以来，激光已经成为人们生产生活中的“常规武器”：在工业领域，激光可轻松胜任打孔、切割和焊接等工作；在医学上，利用激光的高能量可治疗视网膜剥离等外科手术；在军事上，提高激光能量可制成威力无穷的光武器。　根据激光器的工作方式，激光可分为连续激光和脉冲激光。拿手电筒做个比方，始终合上按钮就是连续工作，迅速一开一关就相当于发出一个“光脉冲”。连续激光的输出功率一般比较低，适合于激光通信、激光手术等场合；脉冲激光则具有较大输出功率，适合于切割和测距等。近年来，超短脉冲激光成为激光领域的先端发展趋势。

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1 ns 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(Photon terminatedlaser)。

典型的钛宝石激光器的工作稳定, 实现了平均输出功率为1 W的超短( 最短约为5 fs) 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- 12 s) 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。这对该技术领域的发展影响极大, 如从时间和空间上最大限度地提高相干性就属于这种情况。人们在研究超短脉冲激光技术的发展过程中积累了许多经验, 如有效地产生高强度脉冲并在产生脉冲阶段尽量获得高能量脉冲; 对直接产生的高强度超短脉冲等进行了各种尝试, 并获得了研究成果,为该领域的发展做出了贡献。然而在产生和利用高强度脉冲过程中, 却出现了光脉冲的相干性或波形、波长等的重复性和可靠性不理想等问题。因此, 所选择的锁模激光振荡器的高重复脉冲输出, 并进行高倍率放大的方式已成为主流。虽然每个脉冲的能量小, 但脉冲发生源利用连续振荡锁模激光器很容易获得相干性好的脉冲。主要应用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。就这一产业应用而言, 社会效益最大, 但同时也易受市场行情、信息通信政策等社会状况的影响。人们对IT 泡沫的破灭所带来的行业萧条记忆犹新。除器件的性能外, 还必须考虑其可靠性、成本和环保等问题, 且技术要求严格。从长远看, 通信领域是一个期望值最高的领域。

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5 fs ( 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30 fs 波段光脉冲光源) 的耐久性好, 操作方便。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( 300~30 ps) 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- trip time) 相当的输出脉冲的重复频率为100 MHz, 并不需要每一次的调制。通常采用喇曼—萘斯衍射( Raman—Nath diffraction) 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。固体激光介质使用广泛, 大体可分为: 1,要求短脉宽的激光器;2,重视效率和功率的激光器。

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660~1100 nm 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5 fs 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 状态不能自启动, 因此为了确保ML 状态, 一般采用辅助手段。SESAM被认为是目前最有效的方法之一。通过锁模获得的脉宽取决于谐振腔中的群时延色散。在固体激光器中, 增益介质晶体的物质色散比染料激光器的射流薄板( 厚约0.2 mm) 大一个数量级, 因此必须利用色散补偿技术。具体做法是采用损耗小的布儒斯特棱镜对或色散补偿镜对振荡器内的色散进行补偿。棱镜对是利用折射角的波长依赖关系补偿群时延色散; 色散补偿镜是通过反射镜反射时补偿群时延色散。这种电介质多层膜镜是专为超短脉冲激光器设计的。最短的脉冲记录为5 fs,可通过如下方法获得, 即对晶体、棱镜对和反射镜的色散特性进行优化设计, 以减少谐振腔内的色散,尽量消除脉冲变形的因素。与其用振荡波长( 800 nm)和泵浦光波长( 515 nm)吸收系数之比显示晶体的质量, 不如用灵敏值( FOM值) 显示。锁模振荡器所用晶体的FOM值须达到150 左右。高密度晶体会降低FOM值, 因而早期只采用对泵浦光吸收系数! 约为1 cm的晶体(长度为10~20mm)。近年来, 晶体的吸收系数!=6 cm达到了很好的质量, 长度有可能缩短至2~3 mm。薄晶体容易补偿谐振腔内的色散, 并有利于产生短脉冲, 但在高密度晶体中很难消除泵浦产生的热,容易产生热应变, 因此必须引起注意。3.3.2. Cr3+∶LiSAF, Cr3+∶LiCAF 等固体激光器近年来, 采用高功率半导体激光泵浦的固体激光器的小型化和高功率化得到发展。对激光下能级伴有声子辐射的所谓可调谐固体激光器而言, 采用半导体激光直接泵浦有利于实现小型化。Ti3+∶宝石激光器所需泵浦光密度相当高, 因此不能用绿光半导体激光直接泵浦, 要振荡掺Nd3+∶激光器使其转换成2 倍波泵浦源。与此相反, Cr3 +∶LiSrAlF6 (Cr ∶LiSAF) 激光器的可振荡波长范围为780~1000 nm( 当脉冲泵浦时, 连续振荡范围略窄一些) , 比Ti3+∶宝石激光器窄, 但振荡所需的泵浦功率密度却比Ti3+∶宝石激光器低得多, 可用波长约为680 nm 的半导体激光泵浦实现连续振荡和锁模。Cr3+∶LiCaAlF6(Cr∶LiCAF) 和Cr3+∶LiSrGaF6 (Cr∶LiSGAF) 等晶体均能获得相同锁模的激光振荡, 但特性各异。许多研究报告报道了利用该介质的优点, 用半导体激光直接泵浦的小型低价格的飞秒激光振荡器的脉宽已达到小于10 fs 的最短记录。长波长激光器对采用Ti3+∶宝石或Cr3+∶LiSAF 等并在飞秒区长波长振荡的锁模固体激光器而言, 当特别需要短脉冲时, 采用Cr4+离子跃迁的Cr4+∶镁橄榄石(Mg2SiO4) 激光器( 振荡波长1170 ~1370 nm) 或Cr4 +∶YAG(Y3Al5O12) 激光器( 振荡波长1340~1560 nm)。Cr4+∶Mg2SiO4 锁模激光器采用了与上述各类激光器相同的技术。增益随晶体的冷却而增高, 因此希望在容许结露的范围内冷却, 在- 15℃~5℃温度条件下使用。晶体温度为5℃时, 以6 W 泵浦飞秒区锁模脉冲的输出功率约为100 mW。输出镜的透射率约为2%, 必须尽量降低谐振腔内的损耗。晶体的热传导也低于钛宝石, 因此掺杂浓度不能太高, 一般适宜的吸收系数为0.34 cm- 1。但当产生短脉冲时,常采用高密度晶体, 如2.4 cm- 1 的吸收系数使晶体缩短至5 mm。为降低振荡波长的残余吸收, 对生长的晶体进行热处理。目前, 高密度晶体很难达到高FOM值和稳定的质量, 典型的FOM值( 1064 nm 和1250 nm 时的吸收比) 约为30。采用半导体激光泵浦的Nd∶YVO4 激光器作泵浦源可实现波长约为1.06 “m 的掺Nd3+固体激光的输出。有关用半导体激光直接连续振荡的研究也见有报道, 当锁模方式需要更高输出的情况下, 希望提高1.06 “m 波长半导体激光的输出功率和亮度。相关科学家认为, 目前用半导体光纤激光器( 相同输出波长约1.06 “m) 作泵浦源有利于实现小型化。这种激光器的超短脉冲光的振荡波长有利于对细胞的渗透, 因此有望在生物医学方面得到应用。Cr4+∶YAG 锁模激光器仍由色心激光器获得振荡波长。这种激光器具有工作稳定、寿命长,不用液氮冷却即可在室温下工作的优点, 因此倍受用户青睐。现获得的最短脉冲为20 fs。特别的例子
AMPHOS主要为制造和研究领域开发和生产一系列具有高输出功率的超短脉冲激光器，输出功率在200W~400W之间。关键技术是Innoslab技术。以InnoSlab放大器为核心的系统决定了平均输出功率、种子激光设置脉冲形状、脉冲宽度和重复频率，可“量身定做”Yb:YAG系统；脉冲持续时间从100fs到10ps、到ns或CW -范围。