1、概述

飛秒激光是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光,持續(xù)時(shí)間非常短,只有幾個(gè)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(shí)驗(yàn)條件下所能獲得的Z短脈沖。

飛秒激光具有非常高的瞬時(shí)功率,可達(dá)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(gè)特點(diǎn)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(chǎng)的強(qiáng)度比原子核對(duì)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(cè)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(bǔ)償、脈沖的展寬與壓縮、再生放大器等方面，對(duì)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(jiǎn)稱“飛秒激光器”，是利用鈦寶石的增益特性產(chǎn)生飛秒量級(jí)超短脈沖激光的裝置。一臺(tái)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(gè)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(gè)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(bǔ)償裝置-切成布儒斯特角的棱鏡對(duì)P1、P2。以下將對(duì)鈦寶石晶體的增益特性、自鎖模原理和色散補(bǔ)償技術(shù)這三個(gè)鈦寶石振蕩器的關(guān)鍵部分逐一進(jìn)行詳細(xì)分析和論述。

(2)摻鈦藍(lán)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(diǎn)高(2050°C)硬度大(9級(jí))，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(duì)稱的C位上的Al3+離子，置于一個(gè)正八面體的中心，Ti3+離子受到周圍六個(gè)O2-離子形成的立方場(chǎng)的作用。Ti3+離子的電子組態(tài)為1s22s22p63s23p63d1，它僅有一個(gè)未配對(duì)的3d電子，除3d電子外是滿殼層，這樣，3d軌道的唯yi價(jià)電子行為決定了離子的吸收和發(fā)射光譜的特性。對(duì)于Ti3+離子Z外層未配對(duì)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(jí)5重簡(jiǎn)并。在晶體中，由于晶格場(chǎng)的作用，2D能級(jí)分裂為2T2g(基態(tài))和2Eg(激發(fā)態(tài))兩個(gè)電子能級(jí)，激光躍遷就發(fā)生在這兩個(gè)能級(jí)間。Ti3+離子電子能級(jí)與周圍藍(lán)寶石晶格的振動(dòng)能級(jí)間的耦合使激發(fā)態(tài)能級(jí)分裂成E1/2和E3/2兩個(gè)能級(jí)，基態(tài)能級(jí)分裂成2E1/2，1E1/2及E3/2三個(gè)能級(jí)。這些振動(dòng)能級(jí)間的能量間隔很小，因此，大量的振動(dòng)能級(jí)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(jí)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(jí)是Ti：S激光器可調(diào)諧運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

(3)Ti：S晶體的藍(lán)綠吸收帶對(duì)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(duì)π偏振光吸收要大得多，為使Ti：S晶體對(duì)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(lán)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(lán)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(qiáng)的偏振特性，π偏振光強(qiáng)度大于σ偏振光。根據(jù)熒光強(qiáng)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(yùn)用調(diào)Q或鎖模技術(shù)。在飛秒量級(jí)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(duì)激光束進(jìn)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(gè)模式相干疊加得到超短脈沖。鎖模激光器脈寬可達(dá)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(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模。主動(dòng)鎖模是在激光腔內(nèi)插入一個(gè)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(dòng)鎖模是根據(jù)可飽和吸收體的特性進(jìn)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(shí)，就可獲得一系列的鎖模脈沖。根據(jù)鎖模形成過程的機(jī)理和特點(diǎn)，被動(dòng)鎖模分為固體激光器的被動(dòng)鎖模和染料激光器的被動(dòng)鎖模兩種類型。 2017-01-16 995