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光學(xué)百科 | 飛秒激光器

閱讀:417      發(fā)布時間:2025-6-13
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定義:
發(fā)射的脈沖的時間間隔在幾個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)時間小于1ps超短脈沖)光脈沖的激光器,也就是說是在飛秒時間域內(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中。對于產(chǎn)生這種短脈沖,常常用到一種叫做被動模式鎖定的技術(shù)。 

飛秒激光器的類型 
固體激光器 
被動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)時間30 fs30 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 mW1 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 MHz500 MHz,對于較大的脈沖功率,重復(fù)率會變小一些,大概幾兆赫,而一些微型激光器則有幾十兆赫。 

光纖激光器 
各種類型的超快光纖激光器,在大多數(shù)情況下也是被動鎖模的,提供的典型脈沖持續(xù)時間在50500 fs,重復(fù)率10100 MHz,平均功率為幾個毫瓦。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)時間為10 fs級別,不同的激光染料適用于各種發(fā)射波長,且常在可見光譜的范圍內(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)生飛秒級別的脈沖。在激光器的直接輸出端,脈沖持續(xù)時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)時間更短的脈沖。 被動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)時間,脈沖重復(fù)率高,時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。 

其他類型 
更多特別類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: 

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

  • 一些飛秒激光器提供了一個穩(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)。 

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

  • 一些激光器內(nèi)置對應(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。 

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

  • 內(nèi)置監(jiān)測輸出功率,波長和脈沖持續(xù)時間的特性,會很方便。 

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


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