飞秒激光器的发展现状

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1、第40卷,第8期2003年8月激光与光电子营进展Vol.4 ( ),No3Aug.2003飞秒激光器的发展现状嚣撇舞球脉冲化的进展现在飞秒激 光器在工业界的应用研究已达到普及水平,产品质量也逐渐提高。自196 0年实现红宝石激光器的脉冲激光振荡以来,激光短脉冲化的研究作为基础物理的一个领域得到稳步发展,目前已经发展到飞秒领域。1.1染料激光器阶段图l按年代示 出199 0年以前短脉冲激光器的脉 冲宽度,显示了激光短脉冲化的进展。从图中可以发现,在引进Q开关和锁模等新技术后快速短脉冲的发展情况,其中具 有宽增 益带宽 的染料激光器锁模振 荡是开发飞秒超高速光学技术 的基础。然而,由于染料激光器维

2、护管理复杂,非专业研究人员使用有一定困难。因此,尽管飞秒激光器的研究工作有许多成果,但其应用范围尚受限制。目目目 l l lll一一一巨门门激激光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光光 振振荡荡荡司司瞬瞬瞬瞬娜娜娜恤恤恤恤恤恤恤恤恤恤恤恤一一克克克克克克克克克克克克克克克尔透镜镜镜镜镜 一一一”锁模一一一一一一一一一锁模模模模模 钦钦钦:玻璃璃璃璃璃璃璃璃璃璃璃璃璃璃 准准准准准准准准准( ( ( ( (锁锁锁锁锁锁锁模模模模模模 ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( CPM染粕粕粕粕粕粕粕粕粕粕粕粕粕粕

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4、“/厂布儒斯特棱镜图2克尔透镜锁模振荡器1.2钦宝石飞秒激光器19 90年开始有钦宝石固体激光器被 动锁模振 荡的报 道。Sar uk IJ ra等人用可饱和 吸收染料的被动锁模成功地获得 5 0f s的脉冲宽度;Spenc e等人 不用可饱和吸收染料,而用钦宝石实现了被动锁模,获得 6 0f s的脉冲宽度,图2示出其共振腔的基本结构。在两凹面镜间放置激光工作物质钦宝石晶体,在全反射平面镜和部分反射的输出镜间产生激光振荡。在振荡光路中间插人布儒斯特棱镜对,可以获得飞秒激光脉冲输出。这种结构非专业人员也能较容易地应用飞秒激光进行研究。关于钦宝 石激光 器锁模的机理,最初是用固体介质的折射率随光强

5、变化 (光克尔效应 )引起共振腔 内产生的非线性强度调制来解释,后来用相位调制效应对其进行详细分析。虽然用克尔效应不能充分地说明这种锁模的机理,但是 为了强调当初的历史意义,故将其称做“克尔透镜锁模”。图3示 出克尔透镜锁模开发之后的脉 冲宽度压缩历史。图3 ( 上 )示 出用钦宝石激光放大 器产生 的高能激光脉 冲宽度,图 3 ( 下)示出用钦宝石激光振荡器直 接获得的脉冲宽度和利用放大光的非线性现 象压缩 脉冲宽度的结果。1 99 1年以后,随着钦宝石晶体质量提高,用短的激光晶体也能获.第40卷,第8期2003年8月激光与光电子母进展V ol. 40,No.8Aug.2003钦钦宝石石高次

6、创瓣卜卜卜自适 应应 再再生放大大偿光学系统统统相位控制制脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉脉冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲冲一一序一一, , . ., 二,1一 ,尸., ., ,.二一一匕_! ! !L_ _ _门门门入入入! ! ! ! ! ! ! ! ! r r r一一一叮叮t-一- - -f f f宙宙_ _ _ _ _ _ _厂厂- - - - - - - - - - -放大器 r一 1一一目目厂厂二二二二二二二二l一一一 一一一一盛. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .巨巨

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8、到lf s,展示了由飞秒向阿秒领域发展的前景。0s J 、帜全侧姜图3激光短脉冲化 的进展:1 9 9 0年以后得足够高的增益,实现短脉冲激光振荡。19 94年,利用特殊的反射镜涂层(惆啾镜),而不用棱镜对,获得了小于10f s的脉冲宽度。随后又开发了利用半导体叠层技术的具有宽带可饱和吸收特性的反射镜(半导体可饱和吸收镜,SE SAM),并将其与凋啾镜组合产生6 .sf s的超短脉冲。因为用钦宝石作放大器工作物质可以获得高能量窄光脉 冲,如图3 (上)所示。但对于放大器,由于放大带 限和色散补偿条件比振荡器更严格,因而不能直接用放大器获得小于IOf s的脉 冲宽度。然而,如果通过增大脉冲能量来

9、提高峰值强度,就可 以利用各种非线性现象压缩脉冲宽度。利用在中空光纤气体介质中的S PM(自相位调制)实现短脉冲化的实验,获得了具有0 .sm J脉冲能量的4.s f s脉冲。如果在钦宝石激光器的 中心波长( 800I U n)处 产生 小于10f s的脉 冲,则脉冲宽度 (通常为强度包络线的半高全宽)中的光电场仅为几个周期。因此对于该波长,其研究中心与其说是短脉 冲化,不如说已转移到相对于振幅包络线 电场的绝对相位的测量或控制的方向。对短脉冲化而言,当光电场的周期数相同时,中心波长越短则强度包络线的宽度越窄,因此要获得更短的脉冲宽度,则 对短波长 (忽略色散补偿的困难 )有利。用飞秒钦宝石激

10、光放大器产生的白光作为种子光的宽带非平行参量放大器,可将放大的可见信号光脉冲宽度压缩到4f s。据报道,对钦宝石激光的倍频(紫一紫外)光,使用与基波同样 的自相位调制和色散补偿技术,获得了3 .g f s的脉宽。另据报道,将高强度飞秒激光聚焦到惰性气体产生的高次谐波 (极紫外一软. 月腆秒激光器3.1惆啾脉冲放大图4示出飞秒激光 器放大的脉冲峰值功率的进展。建立了惆啾脉冲放大(CP A)的方法之后,出现了以玻璃激光器为中心的低重复率(从IHz到单脉 冲的器件)的皮秒到飞秒的放大装置;脉冲宽度更短的钦宝石激光器问世,又相继开发了高重复率(1 0H Z)、峰值功率超过太瓦(Tw)的超高强度激光装置

11、。C PA是为克服固体激光工作物 质飞秒激光放 大器的困难而开发的方法,图5示出进行飞秒脉冲放大的框图。一般固体激光器为了进行高效率放大,要求放大光束以高能量密度 透过放大介质。但是,若对飞秒脉 冲直接进行能量 密度放大,则由于在介质中放大光束峰值强度的增大,受非线性折射率的影响而产生自聚焦,致使激光工作物质受到破坏。为了避免上述问题,对飞秒振 荡器的输出脉冲(每脉冲能量从几百皮焦到10llJ)提供正 惆啾,将脉克克尔透镜镜镜高次色色色!热透镜镜 锁锁模模模散补偿偿偿l_业登登誉誉袅驴元元元元元元元元钦钦宝石石石自适应应 C C Cr:LISAF F F F F相位控制制千千赫钦宝石石石石石石

12、石石 几几干赫钦宝 石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石石. . . . . , . . . . . . . .、_、份份份份一一二一一卜,一- 月.月、刁.惆惆啾脉冲冲冲克尔透镜镜 放放大大大锁模模准分子激元元元 . . .仗:戮坷坷坷坷. . .钦宝石石. . . 专专Cr:LISAF F F F F F F . . .千赫钦宝石石 0 0 0几千赫钦宝 石石x x xx x x嗯,.1, , , ,.O 一.一一一-.子心工一-1一-J_Jl_一1_L11_L_L 19861988199 01 99219 94 年1996199820 00200 2图4

13、高强度飞秒激光器:峰值功率的进展日第40卷,第8期2003年8月激光与光电子李进展飞秒脉冲 创匕.展 宽的脉冲 脉冲屏宽卜纳秒一习 - 叫卜习二乓直皮秒种脉冲光 (几nJ一lonJ) i高强度 飞秒脉冲杏 1。,一口十 翠厂飞图5惆啾脉冲放大法(CpA)V OI.40,No.8Aug.2003公诊;陌困趁砚口抽蔺砚. . 曰. . . . . 口. . . . . . 量转换成为热量,致使激光工作物质的温度上升。因此,必须解决由于高平均功率增大产生的热量 问题,特别是因为激光晶体的温度梯度引起的热透镜,已成为妨碍放大器稳定工作的重要因素。关于 固体激光器的热透镜问题,很久以前在Nd :YAG激

14、光器中就进行了研究,依据得到的研究结果可以解决热透镜问题。另外,在高重复率飞秒激光器的研究开发中,作为抽运源的高输出功率激光二极管(LD)起了很大作用。对于钦宝石激光器,用倍频LD抽运固体激光器( Nd : YAG等)作为抽运光冲宽度从几百皮秒展宽到纳秒之后再放大,然后在获得充分能量放大后对光脉冲提供负凋啾,压缩脉冲宽度。这种方法称作凋啾脉冲放大(CP A)法。3.2C PA装置的短脉冲化CP A法出现之后,高峰值功率激光装置的发展有两个特点,其一是用单脉冲获得高能量;其二是尽量压缩脉冲宽度,用更少的能量获得高峰值功率和高重复率。因为单脉 冲激光器是以激光核聚变等特殊用途为主要目的,迄今只有美

15、国劳伦斯里弗莫尔实验室开发的峰值功率IPW(1 01卿)激光装置的报道。CPA的短 脉冲化几 乎都是用钦宝石激光器来实现,如图4的黑圈所示,现在已开发出重 复率IOH z、峰值功率1 0OTW的CPA装置。3 .3高重复率、高平 均输出功率从重复率观点看高强度飞秒激光放大装置,存在一个重要 的问题,即在脉 冲能量一定时平均输出功率随着重复率成比例提高,抽运光中没有转换及输出的大部分 能I I I I I燕燕燕少97) ) ) ) ) 万万万万万万万万万万万万万万万万: : :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .岑9 )!l钦宝 石PA A A A A_ _ _. . . . . . .) ) ) ) ).钦宝石CPA+准分子子子 薄盘 振荡器器器 O O O O O O O O O O O O O光纤CPA A A A Ai i il l l l l又又又工 ,7少j j j99) ) ) ) ) ) ) l l l l l l l l l l l l l l l l lf s(19 9 8) ) ) ) ) ) ) ) )1 豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁叹叹叹叹叹叹(20 02) ) ) ) )