超宽谱钛宝石飞秒激光器的研究进展
飞秒激光烧蚀研究进展
量开支。”
以原予水平测量
直到最近，还不能对反射镜面 几个原子高低的点进行准确测最。 两年前该组研制的一种干涉仪，获 得“研究与开发１００项”奖。浚干 涉仪称为“相移衍射干涉仪”（Ｐｓ— ＤＩ），它的研制成功改变了这一情
测量波前通过被测的光学系 统，在波面小产生像差，将其聚焦
ＶＯｌ ３９．Ｎｏｌ２ Ｄｅｃ ２００２
在另一光纤的端面。此处波面由光 纤端面的一个平射金属膜反射，与 参考波面产生干涉，形成干涉图 案。然后将此图案用电荷耦合相机 ｆ己录。
过去三年，利用此种干涉仪测 量＿『许多极紫外光学件，包括凹和 凸球面和球面镜以及完成的投影 系统。相移衍射干涉仪现已成为一 种町靠的生产Ｔ－具，测量那些非球 面光学件的总面形，其规格为 Ｏ ５ｆｍ或更小，已成功地测量低达 Ｏ ３５ｎｍ表面形状误差。里弗莫尔测 量组正将此系统升级，使之ＨＪ以＿｝｝＝『 来测量低到Ｏ．１５ｎｍ的总表面形状
况。” 像所有的干涉仪一样，此种干
涉仪使用两个光波的干涉网形来 测量物体和现象。这些光波波段通 常都不完美，因为发ｆ｛｛这些光波的 表而或透镜并不完美。仟何不完美 都会产生测量误差。此种“相移衍 射干涉仪”则用衍射产生近于完美 的球形波面。在相移衍射干涉仪 中，两光束分别通过两根光纤，当 光离开每根光纤的端而时，产生衍 射，形成近乎完美的球形波面。由 于两个波面独立产生，它们的相对 振幅和位相可被控制，可以进行对 比调节和相移，提供尽可能高的准 确度．
激光诱导烧蚀过程的建立需 要一定的时间且与激光场强度有 关。对给定激光脉宽，只有当激光 场强超过一定值时，等离子体密度 才能达到发生不可逆损伤时的阈 值。该临界值通常以激光能流闯值 来表示。研究表明：从连续波到脉 冲宽度几十个皮秒，烧蚀过程是离 子雪崩，始于内部电子。在该脉宽 范同，烧蚀能流密度阈值与脉宽的 平方根成比例。同时，从事超短脉 宽烧蚀阈值的研究也在进行…ｍ，并 发现偏离了脉冲宽度平方根法则。 更为重要的是，对长脉冲，能量在 很大范围内变动均可引起烧蚀，而 当使用超短激光脉冲时，情形发生 了巨大改变。如图４所示：烧蚀阈 值的波动限制在很小区域内，也就
飞秒激光加工材料的研究现状及展望
飞秒激光加工材料的研究现状及展望肖凯恒; 李明翱; 谢扬; 张翔博; 乔军【期刊名称】《《辽宁科技大学学报》》【年(卷),期】2019(042)003【总页数】7页(P179-185)【关键词】飞秒激光; 热效应; 激光抛光; 微纳米结构【作者】肖凯恒; 李明翱; 谢扬; 张翔博; 乔军【作者单位】辽宁科技大学材料与冶金学院辽宁鞍山 114051【正文语种】中文【中图分类】TN249红宝石激光器在1960年的成功研制［1］促进了激光器领域的迅速发展，随之开始了激光对材料的作用机制研究。
1976 年，人们在超短脉冲激光领域取得了重大突破，成功研制出了飞秒激光（Femtosecond laser）［2-3］。
从此，飞秒激光进入人们的视野，并广泛应用于航空、航天和医学等领域。
飞秒激光是脉宽为几飞秒至几百飞秒的脉冲激光。
当飞秒激光作用于材料时，会发生复杂的能量传递及扩散现象，如电子-电子驰豫及电子-晶格驰豫等过程，电子-电子驰豫及电子-晶格驰豫的时间大于飞秒激光的脉冲宽度，因此晶格在脉冲作用的时间内基本保持原来的温度，不发生明显的升温，此过程称为飞秒激光“冷加工”［4］。
相较于长脉冲的激光，飞秒激光作用于固体材料时热量扩散很小、可控性好，因此被广泛地应用于生物医疗［5-6］，光电信息［7］，材料表面结构［8-9］等多个领域。
1 飞秒激光与材料的相互作用飞秒激光与不同材料的作用机理不尽相同。
金属材料中含有大量的自由电子，当飞秒激光辐射材料基体时，自由电子吸收激光能量使材料温度迅速上升，进而实现材料去除［10-11］。
非金属材料中的自由电子数量很少，作用机理也因此不同。
1.1 飞秒激光和金属的相互作用（1）双温方程。
为了研究超短脉冲激光与金属的相互作用，Anisimov 等［12］在1974 年提出了经典的研究模型。
该模型主要分析电子温度Te 和晶格温度Tl 随时间的变化，故称双温模型（Two temperature model）式中：Ce、Cl 分别为电子热容、晶格热容；Ke 为电子热导率；g 为电子—晶格耦合常数。
大尺寸钛宝石晶体CPA超短超强激光输出突破100太瓦
大尺寸钛宝石晶体CPA超短超强激光输出突破100太瓦徐军;司继良;李红军;周国清;杭寅;邓佩珍;梁晓燕;冷雨欣;陆海鹤;林礼煌;李儒新;徐至展【期刊名称】《人工晶体学报》【年(卷),期】2004(33)5【摘要】太瓦、飞秒(注:太瓦即TW,1012瓦;飞秒即fs,10-15秒)超快高功率激光在物理、化学以及生命科学等学科领域强场物理研究、激光惯性约束核聚变(ICF)等方面具有广阔的应用前景.自1991年世界上第一台自锁模钛蓝宝石激光器研制成功以来,在短短的10多年里,钛蓝宝石激光器的脉宽从最初的皮秒(ps)发展到现在的几飞秒(6.5fs),峰值功率由瓦提高到太瓦甚至拍瓦(1.3PW),受到了世界各国的极大关注.最为典型的是美国劳伦斯*里弗莫尔实验室(LLNL)获得了430fs、1.3PW、1021W/cm2的激光辐照强度,这一强度超过产生等离子体要求阈值的1000倍,该系统采用了3块大尺寸片状钛宝石晶体(两块100mm,一块80mm)作为放大器.因此研制出高光学均匀性、高浓度均匀性、大直径的钛宝石激光晶体,对于发展超短、超快、超强("三超")激光器意义至关重大.【总页数】2页(P876-876)【关键词】钛宝石晶体;钛蓝宝石激光器;放大器;超短超强激光;激光晶体【作者】徐军;司继良;李红军;周国清;杭寅;邓佩珍;梁晓燕;冷雨欣;陆海鹤;林礼煌;李儒新;徐至展【作者单位】中国科学院上海光学精密机械研究所【正文语种】中文【中图分类】O614.411;TN244【相关文献】1.百太瓦级超短超强钛宝石激光装置 [J], 黄小军;彭翰生;魏晓峰;王晓东;曾小明;周凯南;郭仪;刘兰琴;王逍;朱启华;林东晖;唐晓东;张小民2.百太瓦级超短超强钛宝石激光装置研制 [J], 黄小军;彭翰生;魏晓峰;朱启华;王晓东;曾小明;周凯南;郭仪;刘兰琴;王逍;林东晖;唐晓东;张小民3.100 TW级超短超强钛宝石激光装置 [J], 黄小军;朱启华;林东晖;唐晓东;张小民;楚晓亮;王清月;彭翰生;魏晓峰;王晓东;曾小明;周凯南;郭仪;刘兰琴;王逍4.突破100太瓦大关的超短超强激光装置 [J], 解放5.国产大尺寸钛宝石晶体助力世界最强脉冲激光放大输出 [J], 杭寅;徐民;张连翰;何明珠;蔡双;李善明;李晓清;梁晓燕;冷雨欣;李儒新;潘世烈;张方方因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高平均功率飞秒钛宝石激光以及周期量级光脉冲的产生与控制
高平均功率飞秒钛宝石激光以及周期量级光脉冲的产生与控制高平均功率飞秒钛宝石激光以及周期量级光脉冲的产生与控制近年来，高平均功率飞秒钛宝石激光和周期量级光脉冲的研究引起了广泛关注。
这些技术在光学通信、超快光谱学、光子学和量子光学等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍高平均功率飞秒钛宝石激光的工作原理，以及产生和控制周期量级光脉冲的方法。
高平均功率飞秒钛宝石激光是一种将飞秒级激光脉冲通过强度放大器放大到高功率的激光器。
其中，飞秒激光脉冲是一种具有极短脉宽（飞秒级别）和高峰值功率的激光，其脉冲能量较低。
通过提高飞秒激光的平均功率，可以在更短的时间内获得更大的能量。
高平均功率飞秒钛宝石激光的产生需要借助超连续波飞秒激光技术。
首先，通过光纤拉伸和色散补偿技术实现飞秒激光脉冲的形成。
然后，将飞秒激光脉冲导入到放大器中进行放大，通过多次放大和光束调整，可以实现高功率的输出。
在高平均功率飞秒钛宝石激光的应用中，周期量级光脉冲的生成和控制是关键问题。
周期量级光脉冲是指激光脉冲的重复周期非常短，通常在几十到上百飞秒之间。
产生周期量级光脉冲的方法有多种，包括谐波产生、自调制和自由电子激光中的高次谐波等。
具体来说，在高平均功率飞秒钛宝石激光中，谐波产生是一种常用的周期量级光脉冲产生方法。
谐波产生是通过利用非线性光学材料的二次谐波效应将激光脉冲的频率加倍来实现的。
通过选择合适的非线性材料和优化激光入射角度等参数，可以得到周期量级的光脉冲。
此外，自调制是另一种产生周期量级光脉冲的方法。
在高平均功率飞秒钛宝石激光中，自调制是指在光纤中由于非线性效应引起的脉冲形状的调制。
通过调整光纤的长度和光脉冲的参数，可以实现周期量级的光脉冲的生成。
最后，自由电子激光中的高次谐波也可以用来产生周期量级光脉冲。
自由电子激光是一种利用自由电子束和激光场相互作用来产生激光的技术。
通过将激光束与自由电子束交叉，可以实现高次谐波的产生。
通过优化自由电子束和激光的参数，可以获得周期量级的光脉冲。
飞秒激光同步泵浦钛宝石振荡器的研究
飞秒激光同步泵浦钛宝石振荡器的研究飞秒激光同步泵浦钛宝石振荡器的研究近年来，飞秒激光已经成为了光学领域中极为重要的研究工具，其短脉冲宽度和高峰值功率使其在光谱学、生物医学、光电材料和超快动力学等领域内具有广泛的应用前景。
飞秒激光同步泵浦钛宝石振荡器是其中一种常用的设备。
飞秒激光是一种纳秒级激光脉冲，其时间间隔约为飞秒（即10^-15秒）。
飞秒激光的波长通常在几百纳米到几微米之间，具有紧凑、高效和稳定的特点。
因此，它在现代科学研究中广泛应用于精密加工、光学通信、医学成像和高精度测量等领域。
飞秒激光同步泵浦钛宝石振荡器是由飞秒激光器和钛宝石晶体构成的系统。
钛宝石晶体是一种透明的材料，可以发射绿色到红外光谱范围内连续调谐的激光。
利用飞秒激光进行同步泵浦，可以将飞秒激光的能量转化为稳定而高效的光束。
研究表明，飞秒激光同步泵浦钛宝石振荡器在光谱学中的应用具有重要意义。
其短脉冲宽度使其适用于超快精密测量和光谱分析，特别是在材料表面和界面的非线性光学研究中表现出色。
此外，钛宝石晶体还具有较好的激光介质特性，可以用于激光器和光通信设备。
钛宝石振荡器的优点之一是其光谱调谐范围广，可以从红外到绿光连续调谐，从而满足不同实验需求。
同时，其波长范围也适用于多种材料特性的研究，使其在生物医学和材料科学中具有广泛的应用前景。
然而，飞秒激光同步泵浦钛宝石振荡器也存在一些挑战。
首先，钛宝石晶体具有热效应，当连续泵浦激光功率较高时，会导致晶体发热和变形，从而影响光学性能。
因此，需要采用有效的冷却系统来控制晶体温度。
其次，飞秒激光器的脉冲宽度受到非线性效应的影响，需要通过优化系统参数和设计来减小脉冲宽度。
为了解决这些问题，研究者们进行了大量的实验和理论模拟工作。
他们通过优化飞秒激光的参数，改进钛宝石晶体的结构和冷却系统，以及研究非线性效应的机制，提高了飞秒激光同步泵浦钛宝石振荡器的性能。
在实际应用中，飞秒激光同步泵浦钛宝石振荡器已经广泛应用于超快光学、生物医学成像和材料科学等研究领域。
飞秒激光微加工的研究进展
飞秒激光微加工的研究进展顾理;孙会来;于楷;赵方方【摘要】The article reviews the progress of micro-fabrication by femtosecond laser at home and abroad in recent years. Femtosecond laser pulses have undergone through the laboratory process to become a useful tool for material mi-cro-nano-processing in industrial field. In this paper, we introduce the process of femto-second laser precise micro-nanofabrication. Two different fabrication mechanisms are described which are laser ablation and two photo polymerization. Finally,the existing problems and future development of micro-manufacture by femtosecond laser are discussed.%综述了近年来国内外利用飞秒激光微加工的研究进展.飞秒激光脉冲作为材料微纳加工的一项工具,已经从实验室进入到工业化阶段.介绍了飞秒激光在微纳加工领域的一些研究情况,分别就飞秒激光烧蚀微加工以及双光子聚合加工进行了阐述.最后分析了飞秒激光微加工目前存在的问题及未来发展的主要方向.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)001【总页数】5页(P14-18)【关键词】飞秒激光;微加工;烧蚀;双光子聚合【作者】顾理;孙会来;于楷;赵方方【作者单位】天津市现代机电装备重点实验室天津工业大学机械工程学院,天津300387;四川省制造与自动化重点实验室西华大学,四川成都610039;天津市现代机电装备重点实验室天津工业大学机械工程学院,天津300387;四川省制造与自动化重点实验室西华大学,四川成都610039;辽宁省铁岭港华燃气有限公司技术设备部,辽宁铁岭112000;天津市现代机电装备重点实验室天津工业大学机械工程学院,天津300387;四川省制造与自动化重点实验室西华大学,四川成都610039【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言激光作为20世纪最伟大的发明之一，自1960年Maiman利用红宝石实现的第一台激光器，已经经历了五十余年。
TW级钛宝石飞秒激光放大装置中的同步控制
TW级钛宝石飞秒激光放大装置中的同步控制赵环;王鹏;滕浩;魏志义【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2010(22)5【摘要】讨论了TW级飞秒激光放大装置中的同步时序系统原理,介绍了自行设计并建造的3套频率成分各异的TW级钛宝石飞秒激光放大装置,其中"极光Ⅱ" 和"Titan"为两级放大系统,前者预放大与主放大重复频率均为10 Hz,后者采用1 kHz 的预放大和10 Hz的主放大,"极光Ⅲ"为多级放大系统,预放大重复频率为10 Hz,主放大分别为1 Hz和15 min输出一发.针对各个放大装置的不同特点和对同步精度的具体要求,自行设计并建造了不同的同步时序控制系统,实现了各个激光放大系统的有效运转,同步精度达到200 ps.【总页数】6页(P953-958)【作者】赵环;王鹏;滕浩;魏志义【作者单位】中国科学院,物理研究所,北京凝聚态物理国家实验室,北京,100190;计量与校准技术国防科技重点实验室,北京无线电计量测试研究所,北京,100854;中国科学院,物理研究所,北京凝聚态物理国家实验室,北京,100190;中国科学院,物理研究所,北京凝聚态物理国家实验室,北京,100190;中国科学院,物理研究所,北京凝聚态物理国家实验室,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】TN248.1【相关文献】1.100 TW级超短超强钛宝石激光装置 [J], 黄小军;朱启华;林东晖;唐晓东;张小民;楚晓亮;王清月;彭翰生;魏晓峰;王晓东;曾小明;周凯南;郭仪;刘兰琴;王逍2.PW级掺钛蓝宝石激光放大器中横向寄生振荡控制 [J], 马景龙;青山诚;赤羽温;井上典洋;上田英树;山川考一3.两级钛宝石激光系统放大实验 [J], 张树葵;文国庆;王晓东4.钛宝石飞秒激光的啁啾脉冲再生放大 [J], 张树葵;文国庆;周丕璋;满永在5.功率高达300TW的钛宝石激光装置 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
光子晶体光纤红外超宽带连续谱的研究
光 子 晶 体 光 纤 红 外 超 宽 带 连 续 谱 的 研 （ 亚稳材料制备技术 与科 学国家重点实验室 ， 山大学 红外光纤 与传感研 究所 ， 燕 河北 秦 皇岛 ０ ６０ ） ６０ ４ 摘要 ： 用钛宝石飞秒激光器抽运 一根 长 ３ ｃ 的光子晶体光 纤， 生 了从 可见 到近红 外 区的超连 续谱 ， 使 ０ｍ 产 波长 范围 为 ４ ５～ ５Ｏ ｔ， ６ ２ ０ ｎ 光谱 展宽范 围达到 了２ ０ ｎ 以上 ， ｏ ００ ｍ 同时研究 了超连续谱产 生的机 制． 关 键 词 ： 子 晶体 光 纤 ； 秒 脉 冲 激 光 ； 光 飞 超连 续 谱 中图分类号 ：４７ ０ ３ 文 献 标 识 码 ： Ａ
Ｐ ａｅ Ｍ ｄ ｌｔ ｎ Ｓ Ｍ） 交 叉 相 位 调 制 （ ｃｏｓ ｈ ｓ ｏ ｕａｉ ， Ｐ 、 ｏ Ａ ｒｓ—
次获得 ４０～ ０ ｎ 的超 连续 谱 ． ０ ７０ ｍ 光 子 晶 体光 纤 可 以 实现 大 数 值 孑 径 、 模 面积 Ｌ 小
Ａｂ ｔａ ｔ ｕ ｉ ｇ ａ３ ｃ ｌｎ ｔ ｆ ｈ ｔｎ ｃ ｃ ｓ ｌｆ ｅ ｉ ｅ ｏ ｅ ｏ ｄ Ｔ —ａ ｐ ｉｅｌ ｓ ｒ ｈ ｕ ｅ ｃ ｎ ｉ ｕ ｍ ｐ ｃ ｓ ｒ ｃ ：Ｐ ｍｐ ｎ ０ ｍ ｅ ｇ ｈ ｏ ｏｏ ｉ ｒ ｔ ｂ ｒｗ ｔ ａ ｆ ｍｔｓ ｅ ｎ ｉｓ ｐ ｈ ｒ ａ ｅ ，ｔ ｅ ｓ ｐ ｒ ｏ ｔ ｕ ｓ ｅ — ｐ ｙ ａ ｉ ｈ ｎ
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超宽光谱飞秒激光的产生、放大及载波包络相移控制研究
超宽光谱飞秒激光的产生、放大及载波包络相移控制研究超宽光谱飞秒激光的产生、放大及载波包络相移控制研究随着科学技术的进步，超宽光谱飞秒激光在现代光学领域的应用日益广泛。
它在激光器微加工、生物医学成像、光纤通信等领域具有重要的意义。
本文将重点介绍超宽光谱飞秒激光的产生、放大及载波包络相移控制研究内容。
首先，让我们来了解超宽光谱飞秒激光的产生。
飞秒激光是一种脉冲宽度极短、能量极高的激光。
它的产生主要依靠飞秒激光器。
飞秒激光器可分为主动调Q激光器和放电激光器两种类型。
主动调Q激光器主要利用非线性晶体的Kerr效应对光腔进行调制，以实现超短脉冲的产生。
放电激光器则是通过高压放电激励气体产生飞秒激光。
超宽光谱的形成与激光的谱宽度密切相关。
激光脉冲的谱宽度受多种因素影响，包括激光器自身的性能以及外界环境的影响。
在超宽光谱飞秒激光产生过程中，常常采用增益控制技术来拓宽激光的光谱宽度，以获得高能量的飞秒激光。
其次，放大是超宽光谱飞秒激光的重要环节。
超宽光谱激光经过放大器的放大，可以显著提高激光的能量。
在飞秒激光放大器中，常用的放大介质包括Nd:YAG晶体和光纤。
其中，光纤放大器具有体积小、重量轻、稳定性好等优点，因此被广泛应用于超宽光谱飞秒激光体系中。
此外，为了实现对超宽光谱飞秒激光波形的调控，载波包络相移控制技术也得到了深入研究。
载波包络相移控制是指通过适当调整激光的波长、频率等参数，来实现对飞秒激光波形的精确控制。
这种技术在超宽光谱飞秒激光的应用中具有重要意义，可以实现激光波形的快速调节和优化。
要实现超宽光谱飞秒激光的载波包络相移控制，通常采用光学自相位调制（OPCM）技术。
OPCM技术利用非线性介质的非线性折射率特性，调制激光的折射率来实现相移的控制。
此外，光纤光栅也可以被用作载波包络相移控制的调制器件。
总之，超宽光谱飞秒激光的产生、放大及载波包络相移控制研究已成为光学领域中的热门研究领域。
在超宽光谱飞秒激光产生方面，主动调Q激光器和放电激光器是两种常用的激光器类型。
性能优异、可靠而灵活的钛宝石超快激光放大器
性能优异、可靠而灵活的钛宝石超快激光放大器作者：Daniel-SteveFournier，SteveButcher；CoherentInc.钛宝石和超快激光器的诞生激光器自1960年发明以来，已成为科学研究与工业应用的重要工具之一。
1986年，为获得比染料激光器操作更简便的宽可调谐激光光源，以掺钛蓝宝石（钛宝石，Ti:S）为增益介质的固体激光器应运而生。
上个世纪90年代初，随着克尔透镜锁模（KLM）钛宝石超快振荡器的诞生，产生100fs左右的超短脉冲变得非常方便，从而开创了超快研究的新时代。
随后几年中，作者：Daniel-Steve Fournier，Steve Butcher；CoherentInc.钛宝石和超快激光器的诞生激光器自1960年发明以来，已成为科学研究与工业应用的重要工具之一。
1986年，为获得比染料激光器操作更简便的宽可调谐激光光源，以掺钛蓝宝石（钛宝石，Ti:S）为增益介质的固体激光器应运而生。
上个世纪90年代初，随着克尔透镜锁模（KLM）钛宝石超快振荡器的诞生，产生100fs左右的超短脉冲变得非常方便，从而开创了超快研究的新时代。
随后几年中，基于钛宝石的超快啁啾放大器（CPA）也满足了日益增长的对高脉冲能量的需求。
由于具有增益带宽宽、热导性能好、光学和机械性能优异等特点，钛宝石已成为超快激光器和可调谐激光器的首选增益介质。
钛宝石超快激光器普及的另外一个重要原因是，人们很容易找到合适的固体泵浦激光器，目前连续和脉冲钛宝石激光器都采用以掺钕材料为增益介质的倍频激光器泵浦。
据估计，由于亚洲地区的经济增长强劲，目前亚洲钛宝石超快激光器市场大约已经占到了全球市场的25％。
应用驱动的超快激光技术：最新趋势在过去的十年中，市场需求推动着商业化超快激光器的研制与发展。
用于前沿科学研究的超快激光器中，振荡器的典型输出为：脉冲宽度10fs～10ps、脉冲能量1～20nJ、重复频率70～90MHz。
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超宽谱钛宝石飞秒激光器的研究进展宋明,严家骅,梁志国,杨天博,张立喆(中国一航北京长城计量测试技术研究所,北京100095)摘 要:超宽谱钛宝石飞秒激光器的出现是近年来飞秒激光技术的重要进展之一。
文章对近年来国际上出现的几种主要的钛宝石超宽谱飞秒激光器的原理、结构及优缺点进行了介绍,给出了其发展趋势。
关键词:钛宝石;飞秒激光器;倍频程;啁啾镜中图分类号:T N713;O436 文献标识码:A文章编号:1002-6061(2008)03-0001-04Research D evelop m en t of Super Con ti n uu m i n T i:Sapph i re Fe m tosecond La serS ONG M ing,Y AN J ia2hua,L IANG Zhi2guo,Y ANG Tian2bo,Z HANG L i2zhe(Changcheng I nstitute of Metr ol ogy&M easure ment,Beijing100095,China)Abstract:The generati on of the super continuu m in Ti:Sapphire fe m t osecond laser is one of the most i m portant advance ments in the fe m t o2 second laser technol ogy1I n this paper,the p rinci p le,structure,advantage and disadvantage of s ome main Ti:Sapphire fem t osecond lasers with super br oadband s pectra are intr oduced res pectively1Some ideas about its trend are given in the end1Key words:Ti:sapphire;fe m t osecond laser;octave2s panning;chir ped m irr or0 前言近年来,飞秒激光频率梳的出现导致了频率计量领域的革命性进展[123]。
典型的装置就是用掺钛蓝宝石(Ti:S,Ti:Sapphire)激光器产生10～30fs的超短脉冲。
为了将激光器的光谱扩展到一个倍频程从而通过f22f法[2,426]来稳定频率梳,通常是使用光子晶体光纤进行扩频[7,8]。
在这种方法中,将光谱的长波长部分倍频后与短波长部分拍频,直接可以探测到载波2包络偏移频率。
通过稳定重复频率和载波2包络偏移频率可以得到超稳定的飞秒激光频率梳,这一频率梳可以实现射频和光频的直接链接。
然而,将飞秒激光准确地耦合到微结构光纤的纤芯里比较困难,而且经过一段时间后光纤的输入和输出端面特别容易受到损害,同时随着输入脉冲能量的增大,就会出现宽带振幅噪声[9],从而影响到频率测量的稳定性。
这个问题直接关系到光钟的发展(需要长期稳定的信号),因此直接从振荡器中产生大于一个倍频程宽的光谱非常重要。
收稿日期:2007-11-28;收修改稿日期:2008-01-03基金项目:国防科技工业技术基础科研项目(07A401)作者简介:宋明(1983-),女,江苏徐州人,助理工程师,从事飞秒激光及光纤光栅传感的研究。
1 研究进展由于目前还没有增益带宽覆盖一个倍频程的激光晶体(掺钛蓝宝石的增益带宽只覆盖半个光学倍频程),所以光谱超过一个倍频程的激光主要依赖于激光器腔内的自相位调制作用产生。
2001年Ell等人首次报道了直接由激光振荡器产生的超过一个光学倍频程的超宽光谱和仅有5fs的超短脉冲[10]。
他们使用了双Z 型腔并在腔内加入非线性介质BK7,使激光脉冲在该介质上进行二次聚焦,增加腔内的自相位调制(SP M, Self Phase Modulati on)作用,并且使用了超宽带的双啁啾镜对[11](DC MP’s,Double2Chir ped M irr or Pairs)进行色散补偿,从而得到了超过一个倍频程的光谱。
激光器的结构原理如图1所示。
217mm薄的Ti: S晶体X由一个532nm的激光器泵浦(Spectra2Physics 公司,型号M illennia X);泵浦光由两个透镜L1,L2聚焦到Ti:S晶体上,之所以采用两个透镜,作者认为除了聚焦的作用外也是为了更好地实现激光振荡腔内的模式匹配,激光腔从镜M1到输出耦合镜OC。
曲面镜M2和M5提供了在激光晶体聚焦,第二次聚焦由M4和M6产生,其焦点处放置了一块厚214mm的BK7玻璃片P。
所有镜子的曲率半径都是100mm。
两个CaF2棱镜提供了正的二阶色散,并可以进行色散微调。
棱镜对之间的间隔从95c m 到115c m 可调,重复频率约为65MHz 。
输出耦合镜是一个宽带的镜片,由ZnSe /MgF 2镀膜制成,其中心透过率为1%。
在吸收泵浦功率为4W 时,连续波(C W ,Continuous W ave 2length )的输出功率是30mW 。
在通过移动棱镜P 1启动软缝隙克尔透镜锁模(K LM ,Kerr 2Lens Mode Loc 2king )之后输出功率增加到典型值120mW 。
激光器的输出脉冲通过在双啁啾镜对上的四次反射和一对CaF 2棱镜被进行了外部重新压缩,得到脉冲的强度包络的半峰值带宽为510fs,光谱范围为600～1350nm ,超过一个倍频程。
X -钛宝石晶体;P -BK7玻璃片;M 1～M 6-双啁啾镜;P 1,P 2-棱镜;L 1,L 2-透镜;OC -输出耦合镜图1 双Z 型Ti:S 激光振荡器的结构原理图这是由直接激光振荡器产生的迄今为止最宽的光谱和最短的脉冲。
在一般的钛宝石激光振荡器中仅仅是将激光聚焦在Ti:S 晶体上,产生自相位调制作用来得到较宽的光谱,但是由于克尔透镜锁模的需要,脉冲的能量是受限的,这也限制了SP M 的数量,也因此限制了光谱的展宽。
该振荡器使用了双Z 型腔进行二次腔内聚焦,这使得在玻璃片中进行了额外的光谱扩展,克服了上述的缺点。
并且使用了超宽带的双啁啾镜对进行色散补偿,进一步优化了输出脉冲的谱宽。
但是该振荡器的缺点是由于进行了腔内的二次聚焦,腔体结构较为复杂,在激光谐振腔的准直调节上比普通激光振荡腔的难度要大。
同时根据色散管理机制,需要对腔内使用的双啁啾镜及BK7玻璃片和钛宝石晶体的色散值进行精心设计才能得到较宽的输出光谱。
该振荡器产生的光谱可以直接通过f 22f 法来测量和控制载波2包络相位频移,无须额外扩展光谱,这大大地简化了以钛宝石锁模激光器为基础的激光频率梳的结构,减少了因使用光子晶体光纤扩频给系统带来的不稳定性。
2002年,Bartels 等人[12]利用环形腔Ti:S 激光器通过将其中一个平面镜改为凸面镜增加脉冲在腔内的自振幅调制(S AM ,Self 2Amp litude Modulati on )作用,得到了一个倍频程的超连续谱,光谱范围为560～1150n m 。
如图2所示,这是个标准的蝴蝶结型的环形振荡腔,因为结构可以做的非常紧凑,通常用来实现较高的重复频率。
该腔包含一个119mm 长的钛蓝宝石晶体(吸收系数α=5cm -1),由一个532n m 的倍频Nd:Y VO 4激光泵浦,透镜L 的焦距为30mm 。
该晶体以布鲁斯特角摆放在镜子啁啾镜M 1和M 2之间。
M 1和M 2的焦距为15mm ,腔内光束从啁啾镜M 1和M 2反射后的角度经过特殊设计,主要是为了补偿腔内像散。
啁啾镜M 3是一个凸面镜,曲率半径为1m ,它增强了脉冲在腔内的S AM 作用。
在1GHz 的重复频率下,每个纵模的功率可达1n W ,足以实现对功率为mW 级的连续激光的拍频测量。
图2 环形腔钛宝石激光器的结构原理图该振荡器采用的是环形腔结构,在环形腔中重复频率为f =c /l,其中c 为真空光速,l 为环形腔腔长,而在线形腔中重复频率为f =c /(2l )。
在腔长相同的情况下,环形腔的重复频率是线性腔的两倍。
尽管环形腔的调节比线性腔要困难一些,但由于其对重复频率的加倍作用使其成为高重复频率振荡器的主要选择。
该振荡器相比普通的环形激光振荡器的创新点是它用一个微凸的啁啾镜替代了普通的平面啁啾镜,增加了腔内的自振幅调制,在拥有高重复频率的同时产生了超过一个倍频程的超宽输出光谱,但是该光谱在一个倍频程上达不到足够高的光谱功率密度,因此必须使用2f 23f 方法[6,13]进行载波2包络相位稳定。
高重复频率的飞秒振荡器在激光光谱学、光频标技术、光通讯等方面有着重要的应用价值。
这个装置将会使光频计量和将来的光学原子钟系统更简单更稳定。
2003年,Fortier 等人[14]将棱镜和色散补偿镜结合使用从克尔透镜锁模状态下的Ti:S 激光器得到了超过一个倍频程宽的光谱。
如图3所示,该振荡器是一个X 型折叠腔结构,它使用商业的负色散啁啾镜和腔内CaF 2棱镜进行色散补偿。
M 1和M 2(焦距为10c m )是DC M s,专门为使用CaF 2棱镜对设计的,M 3和E M 两个都是负啁啾镜(Layertec 公司,编号分别为100466,101515)。
输出耦合镜OC 是G0342007来自Spectra Physics 公司。
两个CaF 2棱镜对之间的距离为82c m 。
激光晶体213mm 长,泵浦聚焦透镜L 的焦距为10c m 。
当用功率为515W 、波长为532n m 的泵浦时,它的最宽锁模激光光谱从约570～1280n m 。
激光平均锁模功率大于400mW ,重复频率为88MHz 。
通过优化从克尔透镜锁模状态下的钛宝石激光器可以得到超过一个倍频程的光谱,光谱范围570～1280nm ,可以直接通过最简单的自参考方法测量出载波包络偏移频率。
图3 X 型折叠腔Ti:S 激光振荡器的结构原理图这个激光器相比于以前所报道的一个倍频程宽的激光器的优点就是它既不需要精确的腔内色散补偿也不需要进行二次聚焦,只利用了激光晶体中的自相位调制效应就产生了自参考方法所必须的超宽光谱。
它使用棱镜对与啁啾镜相结合的办法,增加了腔体设计的灵活性,同时通过改变棱镜的插入量可以很容易实现激光器的锁模。
但是这种结构的振荡器对腔的准直比较敏感,无法达到长期稳定的锁模状态。
同时棱镜对之间的距离使振荡腔结构无法小型化,因此也不能达到较高的重复频率,这样在对重复频率有较高要求的光学频率计量领域就无法使用。
2004年,L 1Mat os 等人[15]报道了一个建立在一个倍频程宽的无棱镜的Ti:S 激光器基础上的自参考的光学频率梳产生装置。