超短光脈沖目前被廣泛應(yīng)用于計(jì)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(jì)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�？紤]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(shí)間、重復(fù)率和波長）分布在多維參數(shù)空間的一個(gè)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(yùn)行、能效、低冷卻要求、高光束質(zhì)量和低價(jià)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(gè)皮秒或飛秒脈沖，或者有時(shí)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(yùn)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(shí)，將發(fā)射一個(gè)脈沖作為有用輸出，輸出脈沖形成一個(gè)規(guī)則間隔的脈沖序列。

圖1用SESAM被動(dòng)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(duì)用于色散補(bǔ)償。

主動(dòng)和被動(dòng)技術(shù)可用于強(qiáng)制發(fā)射此類脈沖，而不是例如連續(xù)波光。主動(dòng)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(dòng)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(shí)間內(nèi)才會(huì)降低，但在可飽和吸收體中，被動(dòng)損耗調(diào)制可能會(huì)產(chǎn)生更短的脈沖。在極端情況下，脈沖持續(xù)時(shí)間僅為幾飛秒。特別是對(duì)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(jì)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(gè)循環(huán)脈沖工作，腔往返時(shí)間在1 ns到100 ns（納秒）之間，導(dǎo)致脈沖重復(fù)率達(dá)到數(shù)十或數(shù)百M(fèi)Hz。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(shí)現(xiàn)較低的脈沖重復(fù)率，但這往往會(huì)導(dǎo)致不切實(shí)際的長激光腔和腔內(nèi)的強(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)多GHz重復(fù)頻率。其他激光增益介質(zhì)允許到達(dá)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(qiáng)聚焦激光束進(jìn)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(gè)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(qiáng)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(shí)，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(gè)微焦耳。然而，人們不應(yīng)將腔轉(zhuǎn)儲(chǔ)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(shí)間變化的腔內(nèi)脈沖能量，可能會(huì)完全改變脈沖成形過程，并且可能變得難以達(dá)到穩(wěn)定性和很短的脈沖持續(xù)時(shí)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(gè)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(duì)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?yàn)樗�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(qiáng)非線性，可能會(huì)對(duì)脈沖產(chǎn)生嚴(yán)重的有害影響，例如強(qiáng)加寬甚至脈沖破裂。這種效應(yīng)對(duì)于短脈沖尤其強(qiáng)烈，并且會(huì)嚴(yán)重限制可實(shí)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(yùn)行，例如數(shù)十或數(shù)百M(fèi)Hz，其強(qiáng)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(gè)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(shí)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(gè)基本上類似于體激光器的諧振器，但帶有一個(gè)或兩個(gè)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(duì)較低的塊狀激光晶體，也可以輕松實(shí)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(dá)到更高的脈沖能量，因?yàn)槊}沖形成和放大過程是相互解耦的。單獨(dú)種子激光器的要求可以被視為實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能的合理價(jià)格，同時(shí)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(gè)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(duì)）在脈沖進(jìn)入實(shí)際放大器之前將脈沖拉伸到例如數(shù)納秒的持續(xù)時(shí)間。在最后的放大器級(jí)之后，應(yīng)用另一個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)。

Chirped脈沖放大原理圖

根據(jù)某些基礎(chǔ)研究領(lǐng)域（如高強(qiáng)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(jí)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(shí)際優(yōu)勢，因?yàn)槊}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(duì)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(gè)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(qiáng)脈沖拉伸也允許使用強(qiáng)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?yàn)榧す庠鲆娼橘|(zhì)的選擇很好，還因?yàn)閷?shí)現(xiàn)高脈沖能量的方法非常不同。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(duì)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(huì)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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