超快激光器

超快激光器（Ultrafast Lasers）

定义：发射超快脉冲的激光器。

超快激光器通常指用于发射超短脉冲的锁模激光器，例如，持续时间为飞秒或皮秒的脉冲。更精确的叫法应为超短脉冲激光器。而超短脉冲激光器几乎都是锁模激光器，然而增益开关效应也可以产生超短脉冲。

超快激光器的种类（Types of Ultrafast Lasers）

以下简要列出了最重要的超快速激光器的种类：

• 钛-蓝宝石激光器，通常是克尔透镜锁模，最短可以产生持续时间低至约5 fs的脉冲。它们的平均输出功率通常为几百毫瓦，带有例如80MHz的脉冲重复频率和几十飞秒或更短，脉冲持续时间为几十飞秒或更短，导致一个极大的峰值功率。但钛-蓝宝石激光器需要来自一些绿光激光器的泵浦光，这使得它们更加复杂和昂贵。
• 存在各种基于例如掺镱（晶体或玻璃）或掺铬的激光晶体的二极管泵浦激光器。它们通常使用SESAM被动锁模。尽管二极管泵浦激光器的脉冲持续时间并不如钛-蓝宝石激光器的脉冲持续时间那样短，但二极管泵浦激光器在脉冲持续时间、脉冲重复率和平均功率（见下文）等方面都能覆盖很宽的参数区域。
• 基于掺杂稀土元素的玻璃光纤的光纤激光器也可以是被动锁模的，例如，使用非线性偏振旋转或SESAM。在平均功率，特别是峰值功率方面，它们比体激光器更受限制，但可以方便地与光纤放大器组合。关于锁模光纤激光器的文章给出了更多的细节。
• 锁模二极管激光器可以是整体器件或外腔二极管激光器，并且可以是主动的，被动的或混合锁模。通常，锁模二极管激光器以适中的脉冲能量在高的（数千兆赫兹）脉冲重复率下工作。

超快激光振荡器可以是超快激光系统的一部分，其也可以包括一个超快放大器（例如光纤放大器），以增加峰值功率和平均输出功率。

物理现象（Physical Phenomena）

以下超快光学和超快激光物理学的现象是与超短脉冲激光器最为相关：

• 克尔效应引起自相位调制，自相位调制是一种紧随着脉冲强度的折射率的变化。它也引起克尔透镜锁模。当非线性具有有限的响应时间时，会发生例如拉曼散射和自陡效应等相关非线性效应。色散对这种脉冲形成时的非线性效应有很大的影响。
• 用于被动锁定的可饱和吸收体引入损耗，在高的光强度下会降低。即使是所谓的缓慢吸收体，损耗的变化通常在脉冲后几个皮秒内恢复。

超快激光器及其应用的研究领域称为超快激光物理学和超快光学。它包括超快激光器中发生的各种效应，还包括可以使用超短激光脉冲进行研究的现象。这些应用领域包括，例如高强度物理学（→高次谐波的产生），频谱检测，激光光谱学和太赫兹科学。它还有广泛的工业应用，随着紧凑、高功率和成本划算的锁模激光器的出现，工业应用变得更具吸引力，包括诸如飞秒材料加工（特别是微加工，波导写入），医学治疗（例如眼科学），激光显微术和断层扫描，计量学（例如，采用频率梳），采用电光采样的高速电子学特征，通过光学采样的太赫兹光谱学，和光纤通信。

超短脉冲产生领域的发展（Developments in the Field of Ultrashort Pulse Generation）

超短脉冲发生领域已经发展了大约三十年，因此被认为是相对成熟的。一些最重要的或多或少已实现的进展如下：

• 虽然染料激光器早期在该领域占主导地位，但染料激光器已经几乎完全被长寿命、高功率和高效率的二极管泵浦固体激光器所取代。基本上只有几个特殊的光谱区域仍然使用染料激光器。其竞争对手是同步泵浦光学参量振荡器。
• 一个重要的技术发展是主要用于被动锁模的重要器件的半导体可饱和吸收镜（SESAMs）[11]。尽管这些器件自20世纪90年代初已经开始使用，但是随着SESAM设计的改进、更广泛的可用半导体材料、改进的制造技术、特别是通过对其极限应用的掌握，即极端参数的实现。现今，SESAMs可用于涉及脉冲持续时间、激光波长和功率水平的非常宽的参数区域。
• 固体激光器（未进行外部脉冲压缩）可达到的脉冲持续时间已经下降到5.5 fs左右，对应于大约两个光学振荡周期（几个周期脉冲）[5,6]。这是用克尔透镜锁模钛蓝宝石激光器实现的。所得到的光谱非常宽，具有大约一个倍频程（倍频程展宽光谱）的超宽带宽，尽管半峰全宽（FWHM）通常稍微较小。
• 使用脉冲压缩技术可以进一步缩短超短脉冲。先进的压缩设置允许低于3 fs的脉冲持续时间（尽管在此参数范围内脉冲持续时间的概念变得非常重要）。高次谐波产生的技术甚至允许在极紫外光谱区域产生阿秒脉冲。
• 二极管泵浦的固体激光器，特别是基于掺镱的固体激光器，已经开发到具有高达80W的极高的平均功率[10,12]和几十微焦的脉冲能量[13]。这种进步是基于薄盘激光头、对调Q不稳定性的理解提高、可饱和吸收体的损伤问题、谐振腔设计，最重要的是对所有这些方面的复杂相互作用的清晰认识。
• 具有微型谐振腔的[[Nd：YVO₄激光器]]和掺铒激光器已经开发出来，用于产生具有几十GHz或甚至高于100GHz的极高脉冲重复率的脉冲串[9]。这主要需要优化的谐振器设计和对调Q不稳定性的更好理解。这种激光器发出具有中等平均输出功率的皮秒脉冲，通常远低于1W。
• 多年来锁模半导体激光器的输出功率非常低，新型光泵浦被动锁模垂直外腔表面发射激光器（VECSELs）已被证明同时具有高（多千兆赫）的脉冲重复率和几十瓦的平均输出功率。
• 已经验证非线性频率转换（例如，使用光学参量振荡器）在非常高的平均功率水平下也能正常工作。在某些方面，这种机制甚至可以比低功耗设备简单。对于某些应用（例如激光投影显示器（→RGB源）），覆盖更宽的波长范围则至关重要。

未来发展展望：

• 固体增益介质的可选材料仍在不断增多。已经开发出具有令人关注的特性的新型激光晶体材料，它具有非常优异且全新的性能。例如，新型掺镱增益介质如三次氧化物和钨酸盐甚至比用于薄盘激光器的Yb：YAG在超短脉冲具有更高的功率，或者在较高功率水平下具有更短的脉冲。另一方面，超宽带增益介质如Cr²⁺：ZnSe应当适用于在2.7μm附近的光谱区域内产生20 fs或更短脉冲持续时间，尽管这个期望还由于目前不是很清楚的原因而尚未实现。（强非线性特性可能是一种解释。）
• 即使没有改进的增益介质，也可以使被动锁模的薄盘激光器达到超过100W的更高的功率级。
• 锁模光纤激光器[14]在几年来在性能上一直表现出令人印象深刻的进步。预计这一发展将会持续下去。另参见关于光纤激光器与体激光器的文章。
• 用于较低的频率重复率的超快放大器装置（主要是二极管泵浦再生式放大器）对于材料加工非常有利，例如，用于微加工。
• 近些年，被动锁模的VECSEL（见上文）很有潜力进一步提高性能，特别是在几十GHz重复率与几十瓦输出功率和/或亚皮秒脉冲持续时间方面。此外，晶圆级技术的应用可以非常低的成本制造锁模VECSEL，从而使得具有严格成本限制的新的应用领域成为可能。

关于应用场景，可以预见会产生更多的领域。需要注意的是，某些参数区域也只是最近才被一些激光光源达到，因此在应用方面中工作的人可以开始考虑使用这些激光源，其中一些很快将会在市场上销售。期待超快技术获得进一步重视并取得新的令人兴奋的发展是现实的。

参考文献

 

[1] F. Krausz et al., “Femtosecond solid-state lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 28 (10), 2097 (1992)

[2] P. J. Delfyett et al., “High-power ultrafast laser diodes”, IEEE J. Quantum Electron. 28 (10), 2203 (1992)

[3] P. M. W. French, “The generation of ultrashort laser pulses”, Rep. Prog. Phys. 58, 169 (1995)

[4] S. Backus et al., “High power ultrafast lasers”, Rev. Sci. Instrum. 69, 1207 (1998)

[5] D. H. Sutter et al., “Semiconductor saturable-absorber mirror-assisted Kerr lens modelocked Ti:sapphire laser producing pulses in the two-cycle regime”, Opt. Lett. 24 (9), 631 (1999)

[6] U. Morgner et al., “Sub-two cycle pulses from a Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser”, Opt. Lett. 24 (6), 411 (1999)

[7] C. Hönninger et al., “Ultrafast ytterbium-doped bulk lasers and laser amplifiers”, Appl. Phys. B 69, 3 (1999)

[8] E. Sorokin et al., “Diode-pumped ultrashort-pulse solid-state lasers”, Appl. Phys. B 72, 3 (2001)

[9] L. Krainer et al., “Compact Nd:YVO₄ lasers with pulse repetition rates up to 160 GHz”, IEEE J. Quantum Electron. 38 (10), 1331 (2002)

[10] E. Innerhofer et al., “60 W average power in 810-fs pulses from a thin-disk Yb:YAG laser”, Opt. Lett. 28 (5), 367 (2003)

[11] U. Keller, “Recent developments in compact ultrafast lasers”, Nature 424, 831 (2003)

[12] F. Brunner et al., “Powerful RGB laser source pumped with a mode-locked thin-disk laser”, Opt. Lett. 29 (16), 1921 (2004)

[13] S. V. Marchese et al., “Pulse energy scaling to 5 μJ from a femtosecond thin-disk laser”, Opt. Lett. 31 (18), 2728 (2006)

[14] M. E. Fermann, “Ultrafast fiber oscillators”, in Ultrafast Lasers: Technology and Applications (eds. M. E. Fermann, A. Galvanauskas, G. Sucha), Marcel Dekker, New York (2003), Chapter 3, pp. 89–154

[15] R. Paschotta and U. Keller, “Passively mode-locked solid-state lasers”, in Solid-State Lasers and Applications (ed. A. Sennaroglu), CRC Press, Taylor and Francis Group, LLC (2007), Chapter 7, pp. 259–318

[16] For German readers: R. Paschotta, “Ultrakurzpuls-Festkörperlaser – eine vielfältige Familie”, Photonik 1 / 2006, p. 70

[17] R. Paschotta, “Laser sources for ultrashort pulses”, Laser Technik Journal 4 (1), p. 49 (2007)

参阅：超快激光物理学，脉冲产生，锁模，被动锁模，锁模激光器，克尔透镜锁模，钛-蓝宝石激光器，飞秒激光器，皮秒激光器，超短脉冲，超快放大器，光学采样，激光器应用，