黃曉園 凌東雄 王紅成 葉 海

（東莞理工學院 電子工程學院，廣東東莞 523808）

鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)及其應用

黃曉園 凌東雄 王紅成 葉 海

（東莞理工學院 電子工程學院，廣東東莞 523808）

目前最為成熟的飛秒激光系統(tǒng)是基于啁啾脈沖放大技術（CRA）的太瓦級鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)。本文以東莞理工學院光電子技術實驗室的鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)為例，主要介紹飛秒激光系統(tǒng)的組成和一些主流應用，為飛秒激光系統(tǒng)的搭建與商業(yè)化提供了可參考的路線和方向。

飛秒激光；鈦寶石；啁啾放大

飛秒激光在過去30多年的發(fā)展中，大致經(jīng)過了飛秒染料激光器、飛秒固體激光器、超強飛秒激光器三個時代的發(fā)展。1990年之前，飛秒激光處在染料激光器時代，由于其增益介質熒光光譜較窄，熱傳導性差，加上染料介質具有毒性，限制了染料激光器向小型化和實用化發(fā)展［1-2］。

1990年之后，隨著晶體生長技術的迅速發(fā)展和成熟，1991年英國人D.E.Spence等人采用氬離子激光器作為泵浦源，以鈦寶石晶體（Ti：S）的克爾效應和棱鏡對的色散補償原理獲得了60 fs的激光脈沖［3］。固體激光器代替染料激光器成為飛秒激光器的主要發(fā)展方向。摻鈦藍寶石以其優(yōu)異的物理性質而受到廣泛應用，形成現(xiàn)代飛秒固體激光器發(fā)展的主流。

由于從飛秒振蕩器輸出的單脈沖能量一般只有納焦耳（ns，10-9J）量級，峰值功率在MW（106W）量級，那么低的能量很難滿足應用。最常用的放大技術手段為啁啾脈沖放大技術（Chirped pulse amplification，CRA）［1］。它很好的解決了放大過程中介質損傷問題，克服各種不利因素，放大后其能量可達毫焦甚至更高，峰值功率達到太瓦（TW，1012W）乃至拍瓦（RW，1015W）。CRA技術為超短激光產(chǎn)生高峰值功率帶來革命性的突破。

目前在國內應用最為廣泛的是太瓦級鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)，主要包括鈦寶石飛秒激光振蕩器和基于CRA技術的飛秒激光放大器兩大部分。本文以如圖1所示東莞理工學院光電子技術實驗室的鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)為例，分析飛秒振蕩器、展寬器、再生放大器和壓縮器，介紹該系統(tǒng)的主要應用領域和應用前景。

1 飛秒激光振蕩器

鈦寶石飛秒振蕩器是以摻鈦藍寶石為增益介質，基于克爾透鏡鎖模機理產(chǎn)生飛秒級超短脈沖激光的裝置，其調諧范圍寬、輸出功率大、轉換效率高、運轉方式多（連續(xù)、脈沖運轉）而成為主流的應用。振蕩器主要由泵浦源、增益介質和光諧振腔三個組成部分［4］。

鈦寶石晶體吸收譜帶從400 nm到600 nm，主吸收峰在488 nm，屬于藍綠光波段，因此實驗室使用的泵浦源是Spectra-Rhysics公司的CW 532 nm激光器。在強光照射下增益介質產(chǎn)生三階非線性效應即克爾效應（Kerr effect），是產(chǎn)生飛秒脈沖的一個關鍵響應［5］。

自相位調制（self-phasemodulation，SRM）是克爾效應在時域內的表現(xiàn)，使脈沖產(chǎn)生頻率啁啾，造成脈沖光譜展寬，為鎖模激光器獲得短脈沖激光提供了可能?？藸栃诳沼騼仁姑}沖表現(xiàn)為自聚焦（self focusing），脈沖的中部將比邊緣經(jīng)歷更大的非線性折射率改變，使得脈沖中部的相速度比脈沖邊緣小，光束發(fā)生會聚，因此，脈沖經(jīng)過克爾介質時象經(jīng)過一個薄透鏡。泵浦激光聚焦在增益介質內形成一個軟光闌，光闌使脈沖前后沿損耗較大而脈沖中部幾乎沒有損耗，這種對脈沖在時域上的壓縮稱為克爾透鏡鎖模的脈沖壓縮機制［2-4］。

飛秒振蕩器的諧振腔采用X型折疊腔設計，這樣可以使腔結構緊湊，較線型腔簡單，并且能夠提高脈沖的重復頻率。飛秒激光振蕩器內部實物如圖2。F為聚焦透鏡，將泵浦光聚焦到鈦寶石上。透過晶體的一份泵浦光由凹面鏡M2反射進入短臂，調節(jié)全反鏡M4和全反鏡M7使泵浦光返回。在長臂端，需要用棱鏡對R1、R2進行色散補償，這是因為鈦寶石晶體的色散對飛秒脈沖有明顯的展寬作用，對于光脈沖來說是非常不利的，鈦寶石晶體屬于正色散介質，所以需要引入負色散元件。激光從長臂即色散端輸出，需要在輸出鏡M6后放置一個爬高鏡RM1，飛秒輸出脈沖在RM1爬高后經(jīng)過R1被拾取鏡輸出反射鏡M8反射，在端板的第二個輸出孔輸出。

在泵浦功率為4 W的情況下，我們對輸出激光特性進行了測量。使用Spectra-Rhysics公司407 A型光功率計測得輸出功率為400 mW。由于飛秒激光的脈沖寬度很窄，無法使用傳統(tǒng)測量脈沖寬度的測量儀如光電探測儀器，我們使用的是Eever-fsmeter-SSA型單次自相關儀，測量結果如圖3所示，顯示該輸出激光脈寬約為68.9 fs。實驗中使用Ocean-optics公司光譜儀對飛秒脈沖光譜進行測量，結果如圖4所示，激光中心波長約為805 nm，半高寬約為87 nm。

2 飛秒激光放大器

Titan Wave型飛秒激光放大系統(tǒng)用啁啾脈沖放大技術對飛秒激光振蕩器的輸出脈沖進行放大，放大器包括展寬器、再生放大器和壓縮器等幾個部分。其工作原理如圖所示5，飛秒鎖模振蕩器的飛秒種子光經(jīng)過脈沖展寬至皮秒量級，展寬后的脈沖進入放大器后吸取增益介質中儲存的能量，接著進入壓縮器，將放大脈沖的寬度壓縮回到飛秒量級，從而獲得高能量的光脈沖輸出［6］。

2.1 展寬器

展寬器是指能將脈沖引入高色散的裝置，使得脈沖在時域上寬度增大，使其峰值功率降低到鈦寶石的損傷閾值以下，從而避免強脈沖對系統(tǒng)元件的損傷。實驗中采用的是全反射型馬丁內茲（Martinez）展寬器，簡便易于調節(jié)，解決了由于輸出光譜在光柵上衍射光斑較大的問題，雖然會產(chǎn)生像差，但是在一定程度上能夠抵消放大器中的材料色散［7-8］。

展寬器光路設計如圖6所示，振蕩器輸出的種子光首先經(jīng)過由格蘭棱鏡GR1、磁光旋轉器FR和λ/2波片W1組成的法拉第旋轉器，可有效防止回光對振蕩器的影響。隨后種子光穿過爬高鏡R2中兩鏡片之間的狹縫后，以22°的入射角入射到展寬器中光柵G1上。激光在展寬器中多次往返后由平面鏡C5導出，爬低并轉偏為S偏振后導入再生腔。該展寬器能夠提供1.6×106 fs2的二階色散量，能將30 fs的種子脈沖展寬為200 ps［8］。

2.2 再生放大器

從展寬器輸出的種子脈沖即可進入放大器中進行放大。CRA技術中的外注入放大可以分為再生放大與多通放大，這里采用的是再生放大方式［9］。實驗中采用的再生放大器為線性結構，具有很好的光束質量、較高的放大效率和穩(wěn)定性。

再生放大器結構示意圖如圖7所示，主要由Empower泵源、鈦寶石晶體Ti：Sa、四片腔鏡M1-M4、格蘭棱鏡GR、普克爾盒RC、TEC制冷電路、真空室和真空泵組成。實驗中選用的泵浦為Spectra -Rhysics公司的二極管泵浦、腔內倍頻Nd：YLF激光器Empower。泵浦源的波長為527 nm，重復頻率為1 kHz，單脈沖能量最大為20 mJ，能量穩(wěn)定性＜0.5%rms。

展寬的種子脈沖從格蘭棱鏡GR進入再生腔中，Empower泵浦光從M4進入。泵浦光使增益介質中的粒子數(shù)反轉，當種子光信號通過增益介質時，激發(fā)態(tài)上的粒子在種子光的作用下產(chǎn)生受輻射，種子脈沖在腔內經(jīng)過多次往復放大而吸收了增益介質內儲存的絕大部分能量，使自己的能量達到最大值后，被普克爾盒開關逐出腔外。

為了使放大倒空后的激光具有較好的能量穩(wěn)定性，需要設計同步控制電路讓泵浦光和種子光具有較好的時間同步。同步控制電路如圖8所示，振蕩器80 MHz鎖模信號輸入自制的分頻電路中，分頻為1 kHz之后分別觸發(fā)泵源Empower和RC控制器，該1 kHz信號觸發(fā)Empower輸出的綠光和種子光是嚴格同步的，能夠保證在放大過程中的時序不會亂。

在泵浦源Empower最大輸出功率20 W下，再生放大后導出的最大能量為5.5 mJ，對應轉換效率27.5%。光譜中心波長800 nm，半高全寬35 nm，支持27 fs的傅里葉變換極限脈沖。

2.3 壓縮器

光脈沖在經(jīng)過展寬和放大后，需要進入壓縮器進行脈沖壓縮，對產(chǎn)生的色散進行抵消補償，實現(xiàn)對脈沖寬度的減?。?0］?；诠鈻艍嚎s原理，實驗中采用平行光柵壓縮器，其結構如圖所示，由光柵G2、折疊鏡C13和爬低鏡C14組成。再生放大器出來的放大光經(jīng)透鏡T6、T7擴束準直后進入壓縮器。由于從環(huán)形再生腔輸出的放大激光是S偏振態(tài)，所以還需要由C11爬高轉偏振，再由C12反射入光柵G2，入射角度為56°，衍射后并經(jīng)C13反射后形成一長條狀光斑，再經(jīng)C14爬低后，回到C13，G2以略低于入射光的高度由C15導出壓縮器。

我們對壓縮后的飛秒脈沖的輸出特性進行了測量。用單次相關儀測得輸出飛秒激光最短脈寬為45 fs，支持28 fs的變換極限脈寬。光譜儀測量的光譜圖如圖11所示，光譜半高全寬33 nm，由光功率計測得的輸出功率為3.5W。

3 應用

近二十多年來，飛秒激光朝著脈沖更短、光譜更寬、能量更高發(fā)展，直接將物理、化學、生物、材料與信息科學的研究帶入了微觀超快過程領域，并開創(chuàng)了一些全新的研究領域，如飛秒化學、量子控制化學、半導體相干光譜等［11-12］。

飛秒激光最直接的應用是把它作為光源形成多種時間分辨光譜技術和泵浦、探測技術。在東莞理工學院承擔的國家重大科學儀器設備開發(fā)專項任務“太赫茲光譜在半導體材料中的應用”中，如圖12所示的鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)用作太赫茲時域光譜儀的信號源，激勵光電導產(chǎn)生太赫茲信號，為太赫茲光譜和成像技術奠定了基礎。

微精細加工也是飛秒激光的另外一個重要應用。飛秒激光主要依靠多光子吸收機制來加工一些長脈沖激光無法作用的透明材料，具有作用時間極短，熱效應小的特點，可以克服等離子體屏蔽現(xiàn)象［13］。

飛秒激光與長脈沖激光打孔加工實例比較，見圖13。圖13（a）為3.3 ns，120μJ長脈沖對材料進行打孔后的效果圖，由于對激光能量的強烈吸收，大量激光能量在物質中沉積，形成局部加熱并導致光損傷。圖13（b）為200 fs脈沖對材料進行打孔的效果圖，和長脈沖相比，飛秒激光加工的邊緣較為光滑、清潔。

飛秒激光可以對半導體、透明材料內部甚至生物組織等進行微加工和雕刻。目前，飛秒激光微加工以其更高的加工精度和更小的加工尺寸為激光加工業(yè)開拓了更為廣闊的應用領域。

飛秒化學反應、飛秒相干動力學的發(fā)展使得人們可以在超快飛秒時間尺度上實時觀察分子運動并目擊分子的誕生［14］。飛秒相干光譜學將成為光電子器件及單電子光電子器件的最主要研究工具，海量信息科學也將由此產(chǎn)生巨大的變化。

飛秒激光在醫(yī)學精細手術、生物醫(yī)學以及納米醫(yī)學上有廣闊的應用前景。飛秒激光原位磨鑲術（LASIK）不僅使眼角膜手術真正離開了手術刀，真正實現(xiàn)了“全程無刀手術”。飛秒激光還可以對單個細胞動精密手術，并可用于基因療法。

4 結語

基于CRA技術的鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)是目前應用最為成熟最為廣泛的飛秒激光源，主要由飛秒振蕩器、展寬器、再生放大器和壓縮器等幾個部分組成。飛秒振蕩器的輸出功率一般在幾個到幾百毫瓦之間，對應的單脈沖能量一般在皮焦到焦耳量級之間，如此低的能量很難滿足許多領域的應用，因此需要對輸出的飛秒脈沖進行放大。隨著激光技術的發(fā)展，更短脈沖和更高能量必將成為現(xiàn)實并在物理、化學、天文、醫(yī)學等眾多領域獲得更廣泛的應用。

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The Femtose cond Laser System and Its Applications

HUANG Xiao-yuan LING Dong-xiong WANG Hong-cheng YE Hai
（College of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

Currently themostmature femtosecond laser system is terawatt（TW）Ti：Sapphire（Ti：S）femtosecond laser system based on chirped pulse amplification（CRA）.Taking the Ti：S femtosecond laser system in the optoelectronic technology laboratory of Dongguan University of Technology as an example，this papermainly introduces the construction and somemainstream applications of the femtosecond laser system，and provides the referable route and direction to build a femtosecond laser system and commercialization.

femtosecond laser；Ti：Sapphire；CRA（Chirped pulse amplification）

TN248.1；TN249

：A

：1009-0312（2014）05-0013-07

2014-05-19

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項（2012YQ14000511）。

黃曉園（1990—），男，廣東梅州人，主要從事光學設計、光電子學與激光技術研究。