1、概述

飛秒激光是一種以脈沖形式運轉(zhuǎn)的激光,持續(xù)時間非常短,只有幾個飛秒,1飛秒就是10-15秒,也就是1秒的千萬億分之一,它比利用電子學(xué)方法所獲得的Z短脈沖要短幾千倍,有效的治療近視,是人類目前在實驗條件下所能獲得的Z短脈沖。

飛秒激光具有非常高的瞬時功率,可達到百萬億瓦,比目前全世界發(fā)電總功率還要多出百倍，飛秒激光的第三個特點是,它能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域,使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數(shù)倍，幫助我們治療近視疾病。

飛秒激光在瞬間發(fā)出的巨大功率比全世界發(fā)電總功率還大,目前已有所應(yīng)用,科學(xué)家預(yù)測飛秒激光將為下世紀(jì)新能源的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用。

2、工作原理

從鈦寶石晶體的增益特性、自鎖模原理、色散及色散補償、脈沖的展寬與壓縮、再生放大器等方面，對飛秒鈦寶石激光振蕩器和放大器的工作原理做詳細(xì)的闡述。

(1)飛秒激光振蕩器

飛秒鈦寶石激光振蕩器，或簡稱“飛秒激光器”，是利用鈦寶石的增益特性產(chǎn)生飛秒量級超短脈沖激光的裝置。一臺典型的飛秒激光器的主要結(jié)構(gòu)包括泵浦源、增益介質(zhì)和光諧振腔三個組成部分;由泵浦源所發(fā)射的泵浦激光入射到鈦寶石晶體上，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子;平面鏡M1和半透鏡OC構(gòu)成諧振腔，腔內(nèi)兩個曲率半徑相同的凹面鏡M2、M3起到聚焦的作用;此外，在激光腔內(nèi)還要有專門的色散補償裝置-切成布儒斯特角的棱鏡對P1、P2。以下將對鈦寶石晶體的增益特性、自鎖模原理和色散補償技術(shù)這三個鈦寶石振蕩器的關(guān)鍵部分逐一進行詳細(xì)分析和論述。

(2)摻鈦藍寶石晶體的特性

Ti：S晶體是摻鈦的Al2O3單晶，屬六角晶系，空間群為它的物化性質(zhì)與紅寶石相似，穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率約為Nd：YAG的3倍，熔點高(2050°C)硬度大(9級)，折射率為1.76。在晶體結(jié)構(gòu)中，Ti3+離子在Al2O3置換具有三角對稱的C位上的Al3+離子，置于一個正八面體的中心，Ti3+離子受到周圍六個O2-離子形成的立方場的作用。Ti3+離子的電子組態(tài)為1s22s22p63s23p63d1，它僅有一個未配對的3d電子，除3d電子外是滿殼層，這樣，3d軌道的唯yi價電子行為決定了離子的吸收和發(fā)射光譜的特性。對于Ti3+離子Z外層未配對的3d電子，其角量子數(shù)l=2，自旋量子數(shù)S=+1/2。2l+1=5表明該d電子軌道有5種取向，能級5重簡并。在晶體中，由于晶格場的作用，2D能級分裂為2T2g(基態(tài))和2Eg(激發(fā)態(tài))兩個電子能級，激光躍遷就發(fā)生在這兩個能級間。Ti3+離子電子能級與周圍藍寶石晶格的振動能級間的耦合使激發(fā)態(tài)能級分裂成E1/2和E3/2兩個能級，基態(tài)能級分裂成2E1/2，1E1/2及E3/2三個能級。這些振動能級間的能量間隔很小，因此，大量的振動能級構(gòu)成了準(zhǔn)連續(xù)的能帶，使得基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級分布范圍很寬，因而，Ti3+的吸收躍遷譜帶都很寬，分布較寬的基態(tài)能級是Ti：S激光器可調(diào)諧運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

(3)Ti：S晶體的藍綠吸收帶對于不同偏振具有不同吸收截面，π表示的電矢量與晶體的光軸(c軸)平行，σ表示光的電矢量與c軸垂直，晶體對π偏振光吸收要大得多，為使Ti：S晶體對泵浦光有Z大的吸收，應(yīng)使泵浦光的波矢k垂直于c軸，讓電矢量E平行于c軸。Ti：S晶體的吸收光譜。其吸收譜范圍為430-580nm，峰值490nm，所以用藍綠波段的激光，如Ar+激光，銅蒸汽激光，倍頻YAG激光，倍頻YLF激光來泵浦都比較合適。

圖5是摻鈦藍寶石晶體在室溫下的熒光光譜，其峰值波長約為745nm，熒光光譜有很強的偏振特性，π偏振光強度大于σ偏振光。根據(jù)熒光強度與增益系數(shù)的關(guān)系，可以得到相應(yīng)的增益曲線。逯美紅飛秒鈦寶石激光器的工作原理研究長在795nm附近，增益波長范圍為650～1200nm，帶寬約122nm，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的所有激光增益介質(zhì)中Z寬的。由于這種寬的熒光光譜，使它構(gòu)成的鎖模激光器可具有極窄的脈寬。

(4)自鎖模原理

獲得超短脈沖的主要方法就是運用調(diào)Q或鎖模技術(shù)。在飛秒量級的激光技術(shù)中，獲得超短脈沖的主要方法是鎖模技術(shù)。利用鎖模技術(shù)對激光束進行調(diào)制，使光束中不同的振蕩縱模具有確定的相位關(guān)系，從而使各個模式相干疊加得到超短脈沖。鎖模激光器脈寬可達10-11～10-14s，相應(yīng)地具有很高的峰值功率。鎖模的方法主要有兩種：主動鎖模和被動鎖模。主動鎖模是在激光腔內(nèi)插入一個調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確地等于縱模間隔，這樣可以得到重復(fù)率為f=c/2L的鎖模脈沖序列。根據(jù)調(diào)制原理可分為相位調(diào)制和振幅調(diào)制。被動鎖模是根據(jù)可飽和吸收體的特性進行鎖模的，在激光諧振腔中插入可飽和吸收體來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗，當(dāng)滿足鎖模條件時，就可獲得一系列的鎖模脈沖。根據(jù)鎖模形成過程的機理和特點，被動鎖模分為固體激光器的被動鎖模和染料激光器的被動鎖模兩種類型。 2017-01-16 995