超短脈衝雷射器

超短脈衝光的產生之所以重要是因為可以通過控制雷射的相干光波產生脈衝光, 其時間寬度超出電子學所控制的範疇。從廣義上講, 超短脈衝光是指小於1 ns 的脈衝光。

基本介紹

• 中文名：超短脈衝雷射器
• 外文名：ultrashortpulsed laser

1超短脈衝雷射技術的歷史與現狀

在雷射中,超短脈衝光的產生之所以重要是因為可以通過控制雷射的相干光波產生脈衝光, 其時間寬度超出電子學所控制的範疇。從廣義上講, 超短脈衝光是指小於1 ns 的脈衝光。20 世紀60 年代中期, 科學家們對由閃光燈進行脈衝振盪的紅寶石雷射器和摻Nd 雷射器產生的鎖模超短脈衝光展開了實驗性研究。從此, 短脈衝光的產生技術從鎖模亞皮秒脈衝步入到飛秒脈衝。近年來, 超短脈衝光技術得到了普及, 自20 世紀90 年代以來, 各種可調諧超短脈衝鎖模固體雷射器達到了實用化。可調諧雷射器是一種雷射下能級處於振動激髮狀態, 使振盪頻帶加寬的光子限定雷射器(Photon terminatedlaser)。典型的鈦寶石雷射器的工作穩定, 實現了平均輸出功率為1 W的超短( 最短約為5 fs) 脈衝光。若採用摻Yb 離子的雷射晶體, 則可獲得更高平均輸出功率的亞皮秒脈衝輸出。半導體雷射器具有弛豫快, 可對泵浦( 電流)進行高速調製的特點, 因此即使不用鎖模, 利用增益過渡現象也可產生皮秒區( 10- 10~10- 12 s) 的超短脈衝光。

最近開發成功的小型皮秒和飛秒脈衝雷射器使超短脈衝光源有了長足發展。從光的利用角度考慮對超短脈衝光源的要求,是有效利用時域( 超高速性) 的特點還是利用短時間集中光能量的高峰值強度是兩大研究方向。在實際套用中, 這兩個方向密切相關。從上述觀點出發,最大限度地追求光源性能, 實現更短脈衝光的產生和更高峰值強度是促進這一技術發展的原動力。另外, 對新光源的性能進行改進, 對發現的新功能或新現象進行普及並使其達到實際套用; 提高光源的可靠性、穩定性和壽命及降低成本也是技術開發的關鍵。除提高脈寬和脈衝能量外, 提高光束質量也是極為重要的研究課題。這對該技術領域的發展影響極大, 如從時間和空間上最大限度地提高相干性就屬於這種情況。

人們在研究超短脈衝雷射技術的發展過程中積累了許多經驗, 如有效地產生高強度脈衝並在產生脈衝階段儘量獲得高能量脈衝; 對直接產生的高強度超短脈衝等進行了各種嘗試, 並獲得了研究成果,為該領域的發展做出了貢獻。然而在產生和利用高強度脈衝過程中, 卻出現了光脈衝的相干性或波形、波長等的重複性和可靠性不理想等問題。因此, 所選擇的鎖模雷射振盪器的高重複脈衝輸出, 並進行高倍率放大的方式已成為主流。雖然每個脈衝的能量小, 但脈衝發生源利用連續振盪鎖模雷射器很容易獲得相干性好的脈衝。

2光源的特點與套用

表1 給出了近年來常用的超短脈衝雷射器的特點和主要套用領域, 超短脈衝雷射器在醫療和光記錄等方面具有廣闊的套用前景, 目前很多套用均處於實用化的試驗階段, 其中包括在物理科學研究中的套用。

該項技術的另一個特點是所用脈衝範圍很寬,如在信息通信套用中, 能量小的單脈衝( pJ 級) 的超高重複頻率為100 GHz 以上; 在測量等套用中,在nJ 到mJ 級的能量範圍以高重複頻率工作; 在高強度量子科學研究套用中, 用單頻脈衝可達到拍瓦( PW) 級的高峰值強度。就波長而言, 通過超短脈衝雷射輸出波長的轉換, 可以處理從數納米的軟X射線區到相當於亞毫米波產生的THz 脈衝。從套用角度考慮超短脈衝雷射器的現狀, 大致可分為以下三類。

( 1) 物理科學研究用雷射器。這是最早確立的超短脈衝雷射裝置的套用領域。因為這種套用對脈衝特性提出了各種要求, 如波長、脈寬和脈衝能量等, 因此可採用多種雷射器包括染料雷射器和準分子雷射器。在注重性能, 不考慮成本的情況下, 多採用固體雷射器。固體雷射器性能靈活( 脈衝能量或重複頻率等參數的可調諧範圍比較寬) , 如用於核聚變點火的雷射器或在各種研究設備中開發利用的大規模雷射系統均歸於此類。

( 2) 有望作為工業設備套用的雷射器。主要考慮用於測量和加工領域。利用短脈衝雷射可獲得理想的加工結果, 但要考慮設備的可靠性或維修性和成本等。近年來, 隨著鎖模固體雷射器可靠性的提高和高功率光纖雷射器的出現, 人們對該領域的發展寄予厚望。

( 3) 作為光信息通信系統器件的半導體雷射器和光纖雷射器。就這一產業套用而言, 社會效益最大, 但同時也易受市場行情、信息通信政策等社會狀況的影響。人們對IT 泡沫的破滅所帶來的行業蕭條記憶猶新。除器件的性能外, 還必須考慮其可靠性、成本和環保等問題, 且技術要求嚴格。從長遠看, 通信領域是一個期望值最高的領域。

3超短脈衝固體雷射器

鎖模固體雷射器的特點

用固體雷射介質產生超短脈衝幾乎均採用鎖模方式。與其他介質相比, 固體雷射具有如下特點:( 1) 可獲得5 fs ( 當使用Ti3+∶寶石雷射器時) 的極短脈衝, 這是從所有類型雷射振盪器中直接獲得的最短脈寬; ( 2) 可獲得高平均功率和高能量密度。特點( 1) 反映出10 年間Ti3+∶寶石寬頻可調諧雷射器幾乎替代了所有鎖模染料雷射器。主要原因是固體雷射介質比有機染料雷射介質( 在Ti3+∶寶石雷射器之前, 用作數皮秒到30 fs 波段光脈衝光源) 的耐久性好, 操作方便。特點(2)所採用的光源是指具有較長歷史的燈泵浦Nd3+∶YAG 等鎖模雷射器。近年來,隨著半導體雷射泵浦技術的發展和小型高功率摻Yb3+∶雷射器的問世, 脈寬和功率兩方面的性能均得到了進一步提高, 其套用範圍亦有所拓展。與固體雷射器一樣, 光纖雷射器和半導體雷射器的鎖模技術也得到了發展, 皮秒、亞皮秒時域脈衝光源也將這些小型雷射器裝入通信系統或測量設備中, 並正得到推廣套用。對大型鎖模固體雷射器而言, 實現其他雷射器難以達到的短脈衝或高平均功率以及有效利用( 需要外部放大) 能量存儲功能的高峰值功率的短脈衝已成為技術開發的重點。

鎖模方式

幾乎所有固體雷射振盪器均採用燈或其他光泵浦。可用閃光燈泵浦脈衝, 並以相當於上能級壽命的時間或用Q 開關進行更短時間的過渡性振盪, 還可用弧光燈連續泵浦實現穩定的連續振盪。雖然所採用的鎖模方式使每個脈衝的能量變大, 但近年來多採用脈衝的相干性、重複性和穩定性好的連續振盪鎖模雷射器。在需要高能量脈衝時, 對振盪器的輸出功率採取外部放大措施。雖然燈泵浦成本較低,但存在著壽命、老化和放電所帶來的噪聲等問題,因此利用高功率半導體雷射泵浦( 除採用直接泵浦外, 還有用半導體雷射泵浦的固體雷射器作泵浦源的間接方式) 現已成為主流方式。

當脈寬較長( 300~30 ps) 時, 往往採用有源鎖模方式並以外部信號調製諧振腔內的損耗。在典型的固體雷射諧振腔中, 與諧振腔內的光脈衝往返時間( round- trip time) 相當的輸出脈衝的重複頻率為100 MHz, 並不需要每一次的調製。通常採用喇曼—萘斯衍射( Raman—Nath diffraction) 聲光調製器, 相位調製器也可是鎖模方式, 以用於提高重複頻率。

在需要更短脈寬時, 可用無源鎖模或有源鎖模,並常用脈衝泵浦的固體雷射器調製利用可飽和吸收( 降低強光吸收率的性質) 染料的無源損耗。另外,初期的連續振盪鎖模固體雷射器在可飽和吸收時不能自控Q 開關, 因此難以獲得穩定的鎖模脈衝序列。近年來, 隨著短脈衝技術和( 利用非諧振非線性折射率可飽和吸收穫得的) 等效效應技術的發展,無源鎖模方式已得到實際套用。可飽和吸收材料是一種具有快速吸收恢復時間的半導體薄膜, 可單獨使用也可與其他方式並用。下面主要介紹鎖模固體雷射器。固體雷射介質使用廣泛, 大體可分為: ( 1) 要求短脈寬的雷射器;( 2) 重視效率和功率的雷射器。

以產生短脈衝為特點的各種雷射器

Ti3+∶寶石雷射器

限制雷射脈寬的主要因素有兩點: 雷射介質的增益頻帶和諧振腔內的群速色散。近年來, 新開發的一種技術能補償諧振腔內固體雷射晶體的物質色散, 所能達到的最短脈寬取決於增益頻帶。Ti3+∶Al2O3 ( 鈦寶石) 雷射器的增益頻帶最寬可在660~1100 nm 波段振盪, 鈦寶石是一種有望產生最短脈衝的介質。這種介質幾乎能在增益頻帶的全域進行鎖模振盪, 由振盪器直接產生約5 fs 的脈寬。Ti3+∶寶石雷射器採用了鎖模固體雷射器的主要技術。這是一種針對鎖模方式進行最詳細的實驗性研究的雷射器,要設計泵浦光和振盪光的空間模式, 必須使晶體內的最小束徑小於100 !m。在幾乎所有場合, 均利用雷射晶體中非線性折射效應的鎖模方式產生脈衝, 因此在設計時必須考慮構成諧振腔的多個平面鏡和凹面鏡的空間模式。

最常用的克爾鏡鎖模是基於雷射晶體材料, 並利用非諧振條件下的非線性折射率, 因此回響速度極快, 是理想的“快速吸收材料”。然而在很多情況下, 連續振盪( CW) 狀態和鎖模(ML) 狀態同時存在, 振盪開始時為CW 狀態, 而ML 狀態不能自啟動, 因此為了確保ML 狀態, 一般採用輔助手段。

SESAM被認為是目前最有效的方法之一。通過鎖模獲得的脈寬取決於諧振腔中的群時延色散。在固體雷射器中, 增益介質晶體的物質色散比染料雷射器的射流薄板( 厚約0.2 mm) 大一個數量級, 因此必須利用色散補償技術。具體做法是採用損耗小的布儒斯特稜鏡對或色散補償鏡對振盪器內的色散進行補償。稜鏡對是利用折射角的波長依賴關係補償群時延色散; 色散補償鏡是通過反射鏡反射時補償群時延色散。這種電介質多層膜鏡是專為超短脈衝雷射器設計的。最短的脈衝記錄為5 fs,可通過如下方法獲得, 即對晶體、稜鏡對和反射鏡的色散特性進行最佳化設計, 以減少諧振腔內的色散,儘量消除脈衝變形的因素。與其用振盪波長( 800 nm)和泵浦光波長( 515 nm)吸收係數之比顯示晶體的質量, 不如用靈敏值( FOM值) 顯示。鎖模振盪器所用晶體的FOM值須達到150 左右。高密度晶體會降低FOM值, 因而早期只採用對泵浦光吸收係數! 約為1 cm的晶體(長度為10~20mm)。近年來, 晶體的吸收係數!=6 cm達到了很好的質量, 長度有可能縮短至2~3 mm。薄晶體容易補償諧振腔內的色散, 並有利於產生短脈衝, 但在高密度晶體中很難消除泵浦產生的熱,容易產生熱應變, 因此必須引起注意。3.3.2. Cr3+∶LiSAF, Cr3+∶LiCAF 等固體雷射器近年來, 採用高功率半導體雷射泵浦的固體雷射器的小型化和高功率化得到發展。對雷射下能級伴有聲子輻射的所謂可調諧固體雷射器而言, 採用半導體雷射直接泵浦有利於實現小型化。Ti3+∶寶石雷射器所需泵浦光密度相當高, 因此不能用綠光半導體雷射直接泵浦, 要振盪摻Nd3+∶雷射器使其轉換成2 倍波泵浦源。與此相反, Cr3 +∶LiSrAlF6 (Cr ∶LiSAF) 雷射器的可振盪波長範圍為780~1000 nm( 當脈衝泵浦時, 連續振盪範圍略窄一些) , 比Ti3+∶寶石雷射器窄, 但振盪所需的泵浦功率密度卻比Ti3+∶寶石雷射器低得多, 可用波長約為680 nm 的半導體雷射泵浦實現連續振盪和鎖模。Cr3+∶LiCaAlF6(Cr∶LiCAF) 和Cr3+∶LiSrGaF6 (Cr∶LiSGAF) 等晶體均能獲得相同鎖模的雷射振盪, 但特性各異。

許多研究報告報導了利用該介質的優點, 用半導體雷射直接泵浦的小型低價格的飛秒雷射振盪器的脈寬已達到小於10 fs 的最短記錄。

長波長雷射器

對採用Ti3+∶寶石或Cr3+∶LiSAF 等並在飛秒區長波長振盪的鎖模固體雷射器而言, 當特別需要短脈衝時, 採用Cr4+離子躍遷的Cr4+∶鎂橄欖石(Mg2SiO4) 雷射器( 振盪波長1170 ~1370 nm) 或Cr4 +∶YAG(Y3Al5O12) 雷射器( 振盪波長1340~1560 nm)。Cr4+∶Mg2SiO4 鎖模雷射器採用了與上述各類雷射器相同的技術。增益隨晶體的冷卻而增高, 因此希望在容許結露的範圍內冷卻, 在- 15℃~5℃溫度條件下使用。晶體溫度為5℃時, 以6 W 泵浦飛秒區鎖模脈衝的輸出功率約為100 mW。輸出鏡的透射率約為2%, 必須儘量降低諧振腔內的損耗。晶體的熱傳導也低於鈦寶石, 因此摻雜濃度不能太高, 一般適宜的吸收係數為0.34 cm- 1。但當產生短脈衝時,常採用高密度晶體, 如2.4 cm- 1 的吸收係數使晶體縮短至5 mm。為降低振盪波長的殘餘吸收, 對生長的晶體進行熱處理。目前, 高密度晶體很難達到高FOM值和穩定的質量, 典型的FOM值( 1064 nm 和1250 nm 時的吸收比) 約為30。

採用半導體雷射泵浦的Nd∶YVO4 雷射器作泵浦源可實現波長約為1.06 "m 的摻Nd3+固體雷射的輸出。有關用半導體雷射直接連續振盪的研究也見有報導, 當鎖模方式需要更高輸出的情況下, 希望提高1.06 "m 波長半導體雷射的輸出功率和亮度。相關科學家認為, 目前用半導體光纖雷射器( 相同輸出波長約1.06 "m) 作泵浦源有利於實現小型化。這種雷射器的超短脈衝光的振盪波長有利於對細胞的滲透, 因此有望在生物醫學方面得到套用。Cr4+∶YAG 鎖模雷射器仍由色心雷射器獲得振盪波長。這種雷射器具有工作穩定、壽命長,不用液氮冷卻即可在室溫下工作的優點, 因此倍受用戶青睞。現獲得的最短脈衝為20 fs。