超快
激光器（Ultrafast Lasers）
X.)D"+xnH 定義：發(fā)射超快脈沖的
激光器。
$|H7fn(r 超快激光器通常指用于發(fā)射超短脈沖的鎖模激光器，例如，持續(xù)時間為飛秒或皮秒的脈沖。更精確的叫法應(yīng)為超短脈沖激光器。而超短脈沖激光器幾乎都是鎖模激光器，然而增益開關(guān)效應(yīng)也可以產(chǎn)生超短脈沖。
=Y<RG"]a&J @W O>F G3 超快激光器的種類（Types of Ultrafast Lasers）
? vocI ~,O}wT6q 以下簡要列出了最重要的超快速激光器的種類：
M|\C@,F]8 - 鈦-藍寶石激光器，通常是克爾透鏡鎖模，最短可以產(chǎn)生持續(xù)時間低至約5 fs的脈沖。它們的平均輸出功率通常為幾百毫瓦，帶有例如80MHz的脈沖重復(fù)頻率和幾十飛秒或更短，脈沖持續(xù)時間為幾十飛秒或更短，導(dǎo)致一個極大的峰值功率。但鈦-藍寶石激光器需要來自一些綠光激光器的泵浦光，這使得它們更加復(fù)雜和昂貴。
- 存在各種基于例如摻鐿（晶體或玻璃）或摻鉻的激光晶體的二極管泵浦激光器。它們通常使用SESAM被動鎖模。盡管二極管泵浦激光器的脈沖持續(xù)時間并不如鈦-藍寶石激光器的脈沖持續(xù)時間那樣短，但二極管泵浦激光器在脈沖持續(xù)時間、脈沖重復(fù)率和平均功率（見下文）等方面都能覆蓋很寬的參數(shù)區(qū)域。
- 基于摻雜稀土元素的玻璃光纖的光纖激光器也可以是被動鎖模的，例如，使用非線性偏振旋轉(zhuǎn)或SESAM。在平均功率，特別是峰值功率方面，它們比體激光器更受限制，但可以方便地與光纖放大器組合。關(guān)于鎖模光纖激光器的文章給出了更多的細(xì)節(jié)。
- 鎖模二極管激光器可以是整體器件或外腔二極管激光器，并且可以是主動的，被動的或混合鎖模。通常，鎖模二極管激光器以適中的脈沖能量在高的（數(shù)千兆赫茲）脈沖重復(fù)率下工作。
超快激光振蕩器可以是超快激光系統(tǒng)的一部分，其也可以包括一個超快放大器（例如光纖放大器），以增加峰值功率和平均輸出功率。
w f/DLAC _?~)B\@~0 物理現(xiàn)象（Physical Phenomena）
rEY5,'?YHv z|WDqB%/I 以下超快
光學(xué)和超快激光物理學(xué)的現(xiàn)象是與超短脈沖激光器最為相關(guān)：
N- <m/RS - 克爾效應(yīng)引起自相位調(diào)制，自相位調(diào)制是一種緊隨著脈沖強度的折射率的變化。它也引起克爾透鏡鎖模。當(dāng)非線性具有有限的響應(yīng)時間時，會發(fā)生例如拉曼散射和自陡效應(yīng)等相關(guān)非線性效應(yīng)。色散對這種脈沖形成時的非線性效應(yīng)有很大的影響。
- 用于被動鎖定的可飽和吸收體引入損耗，在高的光強度下會降低。即使是所謂的緩慢吸收體，損耗的變化通常在脈沖后幾個皮秒內(nèi)恢復(fù)。
超快激光器及其應(yīng)用的研究領(lǐng)域稱為超快激光物理學(xué)和超快光學(xué)。它包括超快激光器中發(fā)生的各種效應(yīng)，還包括可以使用超短激光脈沖進行研究的現(xiàn)象。這些應(yīng)用領(lǐng)域包括，例如高強度物理學(xué)（→高次諧波的產(chǎn)生），頻譜檢測，激光
光譜學(xué)和太赫茲科學(xué)。它還有廣泛的工業(yè)應(yīng)用，隨著緊湊、高功率和成本劃算的鎖模激光器的出現(xiàn)，工業(yè)應(yīng)用變得更具吸引力，包括諸如飛秒材料加工（特別是微加工，波導(dǎo)寫入），醫(yī)學(xué)治療（例如眼科學(xué)），激光顯微術(shù)和斷層掃描，計量學(xué)（例如，采用頻率梳），采用電光采樣的高速電子學(xué)特征，通過光學(xué)采樣的太赫茲光譜學(xué)，和光纖通信。
z]0UW\S/ &J}w_BFww &46 Ro|XE` 超短脈沖產(chǎn)生領(lǐng)域的發(fā)展（Developments in the Field of Ultrashort Pulse Generation）
3`> nQ4zC WG(%Pkowv 超短脈沖發(fā)生領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了大約三十年，因此被認(rèn)為是相對成熟的。一些最重要的或多或少已實現(xiàn)的進展如下：
`ILO]+`5 - 雖然染料激光器早期在該領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，但染料激光器已經(jīng)幾乎完全被長壽命、高功率和高效率的二極管泵浦固體激光器所取代�；旧现挥袔讉�特殊的光譜區(qū)域仍然使用染料激光器。其競爭對手是同步泵浦光學(xué)參量振蕩器。
- 一個重要的技術(shù)發(fā)展是主要用于被動鎖模的重要器件的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAMs）[11]。盡管這些器件自20世紀(jì)90年代初已經(jīng)開始使用，但是隨著SESAM設(shè)計的改進、更廣泛的可用半導(dǎo)體材料、改進的制造技術(shù)、特別是通過對其極限應(yīng)用的掌握，即極端參數(shù)的實現(xiàn)。現(xiàn)今，SESAMs可用于涉及脈沖持續(xù)時間、激光波長和功率水平的非常寬的參數(shù)區(qū)域。
- 固體激光器（未進行外部脈沖壓縮）可達到的脈沖持續(xù)時間已經(jīng)下降到5.5 fs左右，對應(yīng)于大約兩個光學(xué)振蕩周期（幾個周期脈沖）[5,6]。這是用克爾透鏡鎖模鈦藍寶石激光器實現(xiàn)的。所得到的光譜非常寬，具有大約一個倍頻程（倍頻程展寬光譜）的超寬帶寬，盡管半峰全寬（FWHM）通常稍微較小。
- 使用脈沖壓縮技術(shù)可以進一步縮短超短脈沖。先進的壓縮設(shè)置允許低于3 fs的脈沖持續(xù)時間（盡管在此參數(shù)范圍內(nèi)脈沖持續(xù)時間的概念變得非常重要）。高次諧波產(chǎn)生的技術(shù)甚至允許在極紫外光譜區(qū)域產(chǎn)生阿秒脈沖。
- 二極管泵浦的固體激光器，特別是基于摻鐿的固體激光器，已經(jīng)開發(fā)到具有高達80W的極高的平均功率[10,12]和幾十微焦的脈沖能量[13]。這種進步是基于薄盤激光頭、對調(diào)Q不穩(wěn)定性的理解提高、可飽和吸收體的損傷問題、諧振腔設(shè)計，最重要的是對所有這些方面的復(fù)雜相互作用的清晰認(rèn)識。
- 具有微型諧振腔的[[Nd：YVO4激光器]]和摻鉺激光器已經(jīng)開發(fā)出來，用于產(chǎn)生具有幾十GHz或甚至高于100GHz的極高脈沖重復(fù)率的脈沖串[9]。這主要需要優(yōu)化的諧振器設(shè)計和對調(diào)Q不穩(wěn)定性的更好理解。這種激光器發(fā)出具有中等平均輸出功率的皮秒脈沖，通常遠低于1W。
- 多年來鎖模半導(dǎo)體激光器的輸出功率非常低，新型光泵浦被動鎖模垂直外腔表面發(fā)射激光器（VECSELs）已被證明同時具有高（多千兆赫）的脈沖重復(fù)率和幾十瓦的平均輸出功率。
- 已經(jīng)驗證非線性頻率轉(zhuǎn)換（例如，使用光學(xué)參量振蕩器）在非常高的平均功率水平下也能正常工作。在某些方面，這種機制甚至可以比低功耗設(shè)備簡單。對于某些應(yīng)用（例如激光投影顯示器（→RGB源）），覆蓋更寬的波長范圍則至關(guān)重要。
未來發(fā)展展望：
VQ'DNv| 9 - 固體增益介質(zhì)的可選材料仍在不斷增多。已經(jīng)開發(fā)出具有令人關(guān)注的特性的新型激光晶體材料，它具有非常優(yōu)異且全新的性能。例如，新型摻鐿增益介質(zhì)如三次氧化物和鎢酸鹽甚至比用于薄盤激光器的Yb：YAG在超短脈沖具有更高的功率，或者在較高功率水平下具有更短的脈沖。另一方面，超寬帶增益介質(zhì)如Cr2+：ZnSe應(yīng)當(dāng)適用于在2.7μm附近的光譜區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生20 fs或更短脈沖持續(xù)時間，盡管這個期望還由于目前不是很清楚的原因而尚未實現(xiàn)。（強非線性特性可能是一種解釋。）
- 即使沒有改進的增益介質(zhì)，也可以使被動鎖模的薄盤激光器達到超過100W的更高的功率級。
- 鎖模光纖激光器[14]在幾年來在性能上一直表現(xiàn)出令人印象深刻的進步。預(yù)計這一發(fā)展將會持續(xù)下去。另參見關(guān)于光纖激光器與體激光器的文章。
- 用于較低的頻率重復(fù)率的超快放大器裝置（主要是二極管泵浦再生式放大器）對于材料加工非常有利，例如，用于微加工。
- 近些年，被動鎖模的VECSEL（見上文）很有潛力進一步提高性能，特別是在幾十GHz重復(fù)率與幾十瓦輸出功率和/或亞皮秒脈沖持續(xù)時間方面。此外，晶圓級技術(shù)的應(yīng)用可以非常低的成本制造鎖模VECSEL，從而使得具有嚴(yán)格成本限制的新的應(yīng)用領(lǐng)域成為可能。
關(guān)于應(yīng)用場景，可以預(yù)見會產(chǎn)生更多的領(lǐng)域。需要注意的是，某些參數(shù)區(qū)域也只是最近才被一些激光
光源達到，因此在應(yīng)用方面中工作的人可以開始考慮使用這些激光源，其中一些很快將會在市場上銷售。期待超快技術(shù)獲得進一步重視并取得新的令人興奮的發(fā)展是現(xiàn)實的。
K0z@gWGE 參考文獻[1] F. Krausz et al., “Femtosecond solid-state lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 28 (10), 2097 (1992)
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