光學(xué)百科 | 飛秒激光器

定義：
發(fā)射的脈沖的時(shí)間間隔在幾個(gè)飛秒和幾百飛秒之間的激光器。

飛秒激光器是可以發(fā)射光脈沖持續(xù)時(shí)間小于1ps（→超短脈沖）光脈沖的激光器，也就是說(shuō)是在飛秒時(shí)間域內(nèi)（1 fs = 10?15?s）。因此這種激光器也被歸于超快激光器或超短脈沖激光器的分類(lèi)中。對(duì)于產(chǎn)生這種短脈沖，常常用到一種叫做被動(dòng)模式鎖定的技術(shù)。 

飛秒激光器的類(lèi)型 
固體激光器 
被動(dòng)鎖模的固體激光器能發(fā)出高質(zhì)量的超短脈沖激光，擁有典型的持續(xù)時(shí)間30 fs和30 ps。各種二極管抽運(yùn)激光器，如基于摻釹或摻鐿的增益媒介，在這種體系中，典型的平均輸出功率在100 mW和1 w之間。應(yīng)用先進(jìn)的色散補(bǔ)償?shù)拟佀{(lán)寶石激光器甚至可適用于持續(xù)時(shí)間小于10 fs的脈沖，極限情況下可以達(dá)到約5 fs。脈沖重復(fù)率在大多數(shù)情況下為50 MHz到500 MHz，對(duì)于較大的脈沖功率，重復(fù)率會(huì)變小一些，大概幾兆赫，而一些微型激光器則有幾十兆赫。 

光纖激光器 
各種類(lèi)型的超快光纖激光器，在大多數(shù)情況下也是被動(dòng)鎖模的，提供的典型脈沖持續(xù)時(shí)間在50到500 fs，重復(fù)率10到100 MHz，平均功率為幾個(gè)毫瓦。大體上，擁有更高的平均功率和脈沖能量的激光器是可行的，如與展寬脈沖光纖激光器或自相似脈沖激光器，或與一個(gè)光纖放大器結(jié)合。全光纖的解決方案在大規(guī)模生產(chǎn)中是相當(dāng)劃算的，當(dāng)然，所需的努力是開(kāi)發(fā)出一種光纖產(chǎn)品，高性能和高運(yùn)行可靠性應(yīng)能承受各種技術(shù)挑戰(zhàn)。 

染料激光器 
鈦藍(lán)寶石激光器出現(xiàn)之前，超短脈沖產(chǎn)生領(lǐng)域由染料激光器主導(dǎo)。染料激光器的增益帶寬允許脈沖持續(xù)時(shí)間為10 fs級(jí)別，不同的激光染料適用于各種發(fā)射波長(zhǎng)，且常在可見(jiàn)光譜的范圍內(nèi)。由于染料激光器一些處理中的缺點(diǎn)，飛秒染料激光器不再經(jīng)常使用。 

半導(dǎo)體激光器 
一些鎖模二極管激光器可以產(chǎn)生飛秒級(jí)別的脈沖。在激光器的直接輸出端，脈沖持續(xù)時(shí)間通常至少幾百飛秒，但利用外部脈沖壓縮，可以獲得持續(xù)時(shí)間更短的脈沖。 被動(dòng)鎖模的垂直外腔面發(fā)射激光器(VECSELs)也是可能實(shí)現(xiàn)的；這種類(lèi)型的激光器受關(guān)注，主要是因?yàn)樗梢蕴峁┮环N結(jié)合的特點(diǎn)，短脈沖持續(xù)時(shí)間，脈沖重復(fù)率高，時(shí)而有很高的平均輸出功率，但是它不適合于很高的脈沖能量。 

其他類(lèi)型 
更多特別類(lèi)型的飛秒激光器是色心激光器和自由電子激光器。后者可以發(fā)射飛秒脈沖甚至X-射線形式的脈沖。 

飛秒激光器的一些重要特性 
飛秒激光器的一些主要性能指標(biāo)如下： 

• 脈沖持續(xù)時(shí)間（一定情況下在特定范圍內(nèi)可調(diào)） 

• 脈沖重復(fù)率（在多數(shù)情況下是固定的，或者只在很小范圍內(nèi)可調(diào)） 

• 平均輸出功率和脈沖能量 

還有另外一些很重要的方面： 

• 時(shí)間帶寬積（TBP）表征對(duì)于給定脈沖持續(xù)時(shí)間，光譜帶寬是否大于所需帶寬。脈沖品質(zhì)包含額外的方面，如時(shí)間和頻率上脈沖波形的細(xì)節(jié)，再如，時(shí)間或光譜的旁瓣。 

• 一些飛秒激光器提供了一個(gè)穩(wěn)定的線性偏振輸出，而其它的則發(fā)射不確定的偏振狀態(tài)。 

• 不同類(lèi)型和模式的飛秒激光器，其噪聲特性會(huì)有很大區(qū)別。這包括噪聲脈沖的時(shí)間(→定時(shí)抖動(dòng)),脈沖能量(→強(qiáng)度噪音)，以及各種類(lèi)型的相位噪聲。檢測(cè)脈沖參數(shù)的穩(wěn)定也很重要，包括對(duì)外部影響的敏感性，如機(jī)械振動(dòng)或光學(xué)反饋。 

• 一些激光器內(nèi)置對(duì)應(yīng)外部參考的脈沖重復(fù)率穩(wěn)定設(shè)置，或用于調(diào)諧輸出波長(zhǎng)。 

• 激光輸出可以輸送到到自由空間，如通過(guò)房子的玻璃窗，或通過(guò)光纖連接器。 

• 內(nèi)置監(jiān)測(cè)輸出功率，波長(zhǎng)和脈沖持續(xù)時(shí)間的特性，會(huì)很方便。 

• 其它潛在特點(diǎn)方面，如住房大小，電力消費(fèi)，冷卻需求，接口同步或計(jì)算機(jī)控制。