1超快脉冲

超快脉冲(脉宽为10_12-10.155)具有极短持续时间,极高峰值功率、极宽光谱等特点,在工业、军事、环境、能源、通讯等众多领域得到了广泛应用。极短的脉冲让人类第一次观察到了原子和分子尺度的超快运动过程,为探索微观世界开辟了道路。极高的峰值功率可以产生极端的物理条件,使模拟宇宙大爆炸、太阳中心温度、核爆等极端现象成为可能。超快激光作用时间极短、热影响区极小,应用在医疗上可以在治疗或切除病变组织的同时保证周围正常组织不受到损伤。而且宽带可调谐的超快激光器可以方便的选择波长,适应不同病变组织的治疗要求。特别是应用在眼科治疗,与传统手术治疗相比,大大降低了风险性。超快激光给其他相关科学领域也带来了一场革命,产生了强场物理学、超快非线性光学、精密计量学、超精细冷加工等一系列新兴前沿学科和技术。迄今为止,在超快激光技术有关的科研领域已经产生了两项诺贝尔奖。美国加州理工学院泽维尔教授(Ahmed H. Zewail)在80年代末用飞秒激光成功拍摄下了化学反应的图像,用于研究化学反应中的超快过程,并因此获得了 1999年诺贝尔化学奖。这项工作同时也开辟了一门新的学科——飞秒化学。美国科罗拉多大学教授霍尔和德国慕尼黑大学教授汉施利用超快激光实现了光学频率梳,其测量精度比微波原子钟要高100倍。他们因对激光精密光谱学的贡献而与量子光学之父格劳伯(Rey. J.Glauber)共同获得了 2005年诺贝尔物理学奖。可见,超快激光的研究对科学和社会发展具有重要价值和深远意义,己经是当前科学研究的重点之一。

2超快固体激光器概述

超快激光是固体激光器发展的一个新的领域。超快的飞秒激光最早出现在上世纪70年代初。宽带钦蓝宝石激光晶体的出现,促进了上世纪90年代飞秒激光的飞速发展。至今飞秒激光的脉宽可以小于4fs,非常接近单个光波振荡周期。另一方面,激光脉冲的峰值功率已经可以超过拍瓦(lPw=10w),激光聚焦光强超过10W/cm。超快激光是通过激光锁模得到的,超快激光的发展与锁模技术息息相关。

锁模技术介绍

在自由运转的激光器中,激光器中的纵模和横模同时振荡,模式之间无固定的位相关系,输出的激光是按时间平均的统计平均值。若将激光振荡限制在TEM00模,在典型的激光器中,可能有成百上千个轴向纵模能在激光器中振荡。如果迫使振荡的纵模彼此维持固定的位相关系,则激光器将输出一个规则的脉冲,这种激光器称为锁模激光器。根据调制方式的不同,锁模可以分为:

主动锁模

将一个驱动频率恰为纵模频率间距的相位调制器(FM)或振幅调制器(AM)装入激光腔中,就能够使激光器产生脉冲重复率为fm=c/2L的锁模脉冲序列,这种锁模方式称为主动锁模。对于Nd:YAG系统的连续泵浦激光器的主动锁模,是将电光或声光调制器插入其谐振腔实现的。连续主动锁模激光器能产生相等的脉冲序列,其典型重复率通常为80-250MHz,脉冲能量在纳焦耳量级。主动锁模根据调制器的调制方式,又可分为调幅和调频两种方式。调幅方式是周期性的在腔内加入一个损耗调制,从而在调制损耗为零的点会产生一个窄的锁模脉冲。而调频方式是在腔内引入一个周期性变化的位相,只有在位相调制截在极值时,不会引起频移。而在其它时间,都会有一个多普勒频移dδ/dt,当光多次通过后积累的多普勒频移会使激光频率移到增益带宽之外,从而不能振荡。所以会在位相调制δt的极值时产生一个窄的脉冲。

被动锁模

在激光器中加入一个可饱和吸收体,这种可饱和吸收体的性质是:当光强增大时,腔内损耗却降低,这种锁模方式称为被动锁模。早期的可饱和吸收体是液体染料,因为这种染料的稳定性很差,后来被淘汰。现在,用得最多的可饱和吸收体是一种半导体可饱和吸收镜(sEsAM)。它的基本结构由一个AIAs-AIGaAs布拉格反射镜和一个作为可饱和吸收体的GaAs单量子阱构成。GaAs单量子阱在脉冲持续期间,产生的载流子的数目增加,引起吸收漂白。利用SESAM锁模非常简单,此镜实质上只是取代了谐振腔的一个端镜。

同步泵浦锁模

用一台锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器,通过调制腔内增益的方法获得锁模,这种锁模方式叫同步泵浦锁模。被泵浦激光器腔长必须与泵浦激光器相同或是它的整数倍。同步泵浦锁模一般用于染料激光器中,因为染料上能级弛豫时间大于泵浦宽度,小于光在腔内的循环周期,所以易于得到锁模。

克尔透镜锁模

光克尔效应产生的自聚焦效应将高斯光束辐射聚焦到中心,如果在谐振腔中随着强度增大而模尺寸减少的位置处插入一个光阑,就能获得快速的可饱和吸收体的作用。显然,光阑对强光束的透射要比低功率光束的高,这种在激光器中产生超短脉冲的极其简单的技术称为克尔透镜锁模(KLM)。由于克尔透镜锁模利用了自身产生的快速可饱和吸收的效应,所以通常也归类到被动锁模。在克尔透镜锁模的激光器中,还有一种是利用激光晶体本身产生的增益光阑的作用而锁模,由于这种锁模激光器中没有添加任何的被动或主动锁模器件,因此,这种激光器也称为自锁模激光器。自锁模现象主要在Ti:SaPphire激光器中看到。克尔透镜锁模利用了激光晶体的非线性效应,而克尔非线性产生的自相位调制(SPM)有展宽脉冲光谱的作用,所以克尔透镜锁模通常能产生很窄的脉冲。目前,可以直接从克尔透镜锁模的Ti:saPphire激光器中产生低于10fs的脉冲。

3超快激光器研究进展

从染料锁模激光器到铁宝石锁模激光器

锁模现象首先是在固体激光器中观察到的。1966年,De Maria等用染料作为可饱和吸收体在Nd:Glass激光器中实现了被动锁模脉冲输出。1981年R.L.Fork在染料激光器中利用碰撞锁模(CPM)的方法得到了低于O.lps的脉宽,第一次使激光脉冲缩短到了飞秒尺度。1985年,R.L. Fork又通过进一步补偿色散得到了 27fs的脉冲。1987年,他们用光纤的自相位调制效应将飞秒激光展宽,再利用光栅对和棱镜对的结合将染料激光脉冲压缩到6fs。但是染料激光器有寿命短、有毒性、结构复杂等缺点,限制了其实际应用。相比之下,固体激光器被认为是比较理想的超快脉冲源。80年代初,钛宝石这种性能优异的晶体材料的出现极大地推动了锁模激光器的发展。1989年,J.Goodberlet等人用称合腔锁模的方法在钛宝石激光器中得到了 200fs的脉冲。1990年,K. Naganuma等人在钛宝石碰撞锁模激光器得到了 50fs的脉冲[6]。同期人们也利用声光锁模、被动锁模等技术实现了皮秒量级的脉冲输出。

1991年英国D. E. Spence首次报道了利用钛宝石自身的克尔效应实现自锁模运转,经过棱镜对补偿色散后得到了 60fs的激光脉冲。克尔效应是锁模发展历史上一个重要的发现,它的响应时间小于lOfs,这为充分利用钛宝石的宽增益带宽带来了希望。随后的几年间,钛宝石锁模激光器得到了迅速发展。1997年,M. Nisoli用注入氪气的光纤产生自相位调制展宽激光光谱,并用棱镜对补偿色散后,成功实现了 4.5fs的脉冲输出。2001年,R. Ell等人在激光器中插入玻璃片,同样利用介质自相位调制展宽了光谱,锁模后得到5fs的脉冲。虽然铁宝石激光器具有众多优点,但同时也有一些难以克服的缺点。钛宝石的吸收带集中在400-600nm,需要用气离子激光器或者绿光固体激光器作为激励源,导致激光器的体积较大,总体效率不高,价格昂贵。这些问题激励着人们寻找和研究其他高性能的激光材料。

SESAM锁模的掺Nd3+、Yb3+全固态激光器