自鎖模鈦寶石超短脈衝激光器

自1982年摻鈦藍寶石晶體問世以來,用它作為激光介質而產生的激光器的發展十分迅速.該激光以其調諧範圍寬(660一1200nm)、脈衝寬度窄(fs)、輸出功率高(TW)等特點已成為迄今為止波段從紅外到可見光波段性能最好的固體可調諧脈衝激光器.採用倍頻技術,可使其調諧範圍從近紅外到紫外及真空紫外.

該激光器的最大特點是能夠產生超短激光脈衝.輸出脈寬由納秒(ns)、皮秒(sP)發展到飛秒(fs)量級,目前已實現了10fs以下的脈寬3.理論上預言`鈦寶石的增益線寬和有關振動系統還可將光脈衝縮短到3fs.這種超短激光脈衝具有巨大的應用前景,所以目前世界各國都投入了大量的人力、物力和財力,進行這一領域的研究工作. ^[1] 

自鎖模(SML)技術是產生超短脈衝的重要手段.最初根據H.A.Haus的理論2,1989年Godbelt等人第一次實現了摻鈦藍寶石激光鎖模5,此後,多種鎖模運轉相繼實現,其中特別引起廣泛興趣的是利用激活介質自聚焦效應實現摻鈦藍寶石的自鎖模.自鎖模激光器中,介質的自聚焦與腔內光闌的結合相當於快飽和吸收體,從而獲得超短脈衝. ^[1] 

利用自鎖模技術,實現摻鈦藍寶石超短脈衝激光是激光研究領域中最具活力的研究課題.短短的幾年中,已經取得了長足的進展,本文將綜述該領域的最新研究進展,並進一步分析其發展趨勢及應用前景.

在自鎖模Ti:AL₂O₃。激光器中,入射到鈦寶石中的光束,由於其非線性效應引起光束與光強相關的自聚焦,即激光介質中的光誘導折射率變化.自聚焦改變光束的空間分佈,由於腔內光柵是損耗調製元件,光束經受一個強度相關的損耗調製.由光闌與工作物質中的克爾透鏡效應一起產生等效的快飽和吸收體效應,得到自鎖模(SML)運轉.

1991年至1994年發展情況.初期利用腔內光柵獲得ps量級脈寬;很快進一步採用正交稜鏡對補償色散獲得幾百fs(10)量級的脈寬,至於稜鏡在腔內的插入損耗問題,則是通過以布儒斯特角切入光路來解決;爾後在同一腔內同時存在光柵和稜鏡對獲得十幾fs量級的超短、高功率脈衝.在國外,1991年出現自鎖模鈦寶石激光器.輸出脈寬由幾百fs到十幾fs;平均功率已有幾百毫瓦,能量達到毫焦量級、重複率有幾百千赫的Ti:saPhier激光器相繼研製出來,它們有的主要考慮增寬可調諧範圍,有的泵浦闌值很低,有的轉換效率高,更多的是設法壓縮脈寬,其中典型的有華盛頓州立大學的研究人員1992年研製出17fs脈衝的SML鈦寶石激光器,打破了幾年前貝爾實驗室利用碰撞脈衝鎖模染料激光器得到的27fs的記錄`9,另外,光譜物理激光的J.D.Kafka和M.L.Wats報道了通過50fs再生鎖模鈦藍寶石激光的脈衝壓縮,也產生17fs脈衝’“,壓縮後的平均功率在82MHz處為70mw,大大高於飛秒染料激光器短於20fs激光的水平;美國的B.rPocotr等人利用減小三階色散獲得了13fs激光脈衝;荷蘭的M.5.Psheniehnikov等人從SML鈦寶石激光器中亦獲取13fs、SMW、重複率為ZooKHz的激光脈衝;美國的M.T.Asik等人,實現SML運轉,在780nm處得到11fs脈衝激光,其輸出平均功率50omw;同樣,奧地利的A.tSingl等人也取得11fs的成果27. ^[1] 

此時,國內的自鎖模鈦寶石激光器發展狀況是:1993年天津大學超快激光研究室經過幾個月的研究,首次實現了摻鈦藍寶石自聚焦鎖模運轉,脈衝寬度達到518f4s,該激光器運轉在較大負色散值時,可以自啓動、自維持和自恢復,並處於十分穩定的鎖模運轉狀態(振幅起伏在1%);次年,他們實現低功率泵浦Ti:1A20。自鎖模激光器,當時國外文獻報導實現SML的泵浦闌值功率都是在較高功率(大於5.SW)的情況下獲得的,而他們可在泵浦功率2.SW時實現穩定自鎖模,3.SW時獲得最窄脈寬為18ofs;其後,又與香港科技大學聯合,採用Ti:A12O3自鎖模激光振盪器和脈衝惆啾放大技術,獲得了能量為84mJ、脈寬為75fs的放大光脈衝,峯值功率達到TW(1012w)量級;同時,上海光機所將克爾透鏡自聚焦、振盪參數和泵浦光參數三者結合起來考慮,自行設計了SML摻鈦寶石激光器,可產生脈寬為92fs,譜寬為8.snm,平均功率20omw的激光脈衝;接着,將腔體設計合理化,正確放置光闌,使大的峯值功率在腔內將淨增益變大(平均功率不變),從而獲得5f0s脈寬,譜寬大於10nm的自鎖模脈衝;1994年中山大學自行研製的自鎖模鈦寶石激光器亦獲得50fs激光32.1995年到1996年,不斷地獲得脈寬更短、功率更高的優質光脈衝,從以前的幾十fs壓縮到幾fs. ^[1] 

我國完全採用國產元件組裝了Ti:A120。飛秒激光振盪器,得到脈寬為52fs的穩定輸出39,並實現了較高效率的倍頻;西安光機所研製出可調諧自鎖模Ti:1A203激光器,最短脈衝為48fs40,平均功率為70mw的多波長脈衝序列;進一步採用4mm長的Ti:A1203晶體及一對熔石英色散稜鏡,在腔內末加硬邊光闌等元件的情況下獲得了“平均功率560mw,中心波長774nm,寬度26fs,譜寬28nm的自鎖模激光脈衝;中山大學的SML鈦寶石激光器經過改進獲得321gfs的壓縮激光脈衝;聖地亞哥加州大學的研究人員研製出能產生幾十TW峯值功率、脈衝持續時間為20fs或更短的高強度惆啾脈衝放大鈦寶石激光器;維也納研究人員發展的自鎖模摻鈦藍寶石激光器用惆啾電介質反射鏡在0.8μm波長附近產生了近帶寬極限的8fs脈衝80MHz重複頻率時能量約為nIJ,該系統用3W全譜線氫離子激光泵浦;奧地利的A.tSingl等人設計了特殊的多層反射鏡用來控制因羣速色散引起的頻帶加寬,從而獲得sfs的自鎖模激光脈衝.天津大學的王清月課題小組已獲得4.sfs的超短激光脈3.至此,這一研究成果在本研究領域中處於國際領先水平. ^[1] 

自D.E.SPence等人1991年首次將自鎖模技術用於鈦寶石激光器,`以來,SML技術在鈦寶石激光系統中獲得了空前的發展,幾乎每年都有超短脈衝時間的新紀錄出現.然而,一旦達到只有幾個fs後,就碰到根本性障礙.因此,人們為了獲得更短的超短激光脈衝,就必須在紫外或者更短波長範圍內進行探索,這樣才有可能創造出更新的紀錄.特別是由於在這個光譜區中包含着許多相干輻射源,也就是説,用可見或近可見飛秒強激光脈衝照射惰性氣體時可以產生許多高次諧波,並且在這些高次諧波中,隱含着突破as界限的可能性.如果把所有產生的高次諧波的相位鎖定,那麼,利用這些高次諧波實現阿秒(as)脈衝激光運轉有可能成為現實. ^[1] 

要突破阿秒量級,就必須從理論上解決以下三方面的問題:,①電離原子釋放電子;②電子在強激光場中的行為;③新產生的電子與它的母離子之間的碰撞問題.在實驗手段上可參照以下步驟:第一,採用目前成熟技術獲得fs量級脈衝;第二,採用惆啾脈衝激光放大技術將脈衝暫時放大;第三,進行脈衝整形以消除脈衝信號的失真;第四,再壓縮,採用正交稜鏡對與非線性光纖聯合使用的方法. ^[1] 

實驗過程中,同時應考慮諸多因素:a提高轉換效率的可能性和途徑;b實驗前先設計最佳腔體可以參考反射藕合法選取最佳透射率的輸出藕合鏡;d藉助電子自旋共振譜手段鑑別出優質晶體;e激活介質摻雜濃度過高可能引起碎滅、光譜畸變或斜率效率及輸出能量下降，注意改善激光光束的模式藕合與模式匹配問題.因為,自鎖模時泵浦光與振盪光的藕合如果不在晶體中的最佳束腰,將得不到最大調製度和能量轉換效率.只有將上述各個環節都考慮在內才有可能獲得最優質的超短激光脈衝。 ^[1] 

自鎖模鈦寶石激光器問世以來,由於它具有激光頻譜範圍寬、能夠產生超短脈衝、輸出功率高、工作性能穩定、結構簡單以及調整方便等優點而受到人們的青睞,獲得了廣泛的應用.

諸如氣相光解離、液相中的預解離、溶劑化學、選鍵化學等超快化學反應動力學;振動弛豫、電荷轉移、質子轉移、光譜學、醫學診斷等超快脈衝技術.已實現的有,用摻鈦藍寶石飛秒激光振盪器獲得的5f2s穩定輸出,以高效倍頻為基礎發展出一種新的fs時間分辨受激發射泵浦熒光凹陷探測技術,用它觀察了激光染料LDS-821的超快弛豫過程39;採用fs瞬態吸收激光光譜技術分別測量了近共振和非共振條件下的PAn團簇的光激發和弛豫過程,測量結果顯示PAn團簇的量子尺寸效應導致了其具有比純聚苯固體薄膜更快的光學響應過程;建立了亞納秒時間分辨熒光光譜測量裝置,對菠菜光系統I反應中心蛋白複合體,在不同波長激光下的時間分辨熒光光譜進行了測量,並得到了很重要的結論52;與近紅外激光器相比,藍光激光器能使存貯密度提高到4倍53,綠藍波長可用非線性光學方法對現有Ⅲ-Ⅴ族半導體激光器產生頻率上轉換,這種方法避開了藍光半導體激光器潛在發展有關的基本材料製造的嚴重問題.將來潛在的應用可能導向於探測化學、物理和生物學中以前無法測量的現象.例如,跟蹤動物腦的思維過程,得出較詳細的思維過程圖譜,從而可能支配動物的行動,甚至用於人腦.由於自鎖模鈦寶石超短脈衝激光器的脈寬處於超快科學新時間尺度的邊緣,那麼,總有一天人們會利用它對複雜分子中電荷轉移過程等許多超快現象直接進行時間分辨. ^[1]