陳相淼，武騰飛

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

超快光學(xué)作為一門比較前沿的光學(xué)分支，在近幾十年中獲得了較快發(fā)展。20世紀(jì)七十年代，F(xiàn).J.Mcclung等人利用調(diào)Q的方法得到了ns量級的脈沖激光［1］，K.Gürs，R.Müller等人提出了鎖模技術(shù)［2］。1985年，D.Strick等人提出啁啾脈沖放大技術(shù)［3］，2001年，M.Hentschel等人利用飛秒激光作用于惰性氣體產(chǎn)生高次諧波，獲得了脈沖寬度為650 as的激光脈沖［4］。超快激光器作為推動超快光學(xué)發(fā)展的核心，得到了重點關(guān)注與研究。相較目前以實驗室應(yīng)用為主的阿秒激光器［5］，飛秒激光器更為成熟，應(yīng)用范圍更廣泛，更加接近替代市場上主要銷售的ns，ps激光器，在激光加工［6］、激 光測 距［7］、生 物 成像［8］、光譜 測 量［9］、光 通信［10］等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。

吉赫茲（GHz）飛秒激光器相較一般的千赫茲（kHz）、兆赫茲（MHz）飛秒激光器具有更為突出的性能特點，在實際應(yīng)用中，具有更高的效率以及精度。本文首先介紹了固體飛秒激光器產(chǎn)生GHz脈沖方法的國內(nèi)外發(fā)展情況，之后介紹了飛秒激光常用的應(yīng)用場景，分析并探討了GHz飛秒激光器獨有的技術(shù)優(yōu)勢，最后對GHz固體飛秒激光技術(shù)未來發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 GHz固體飛秒激光器的發(fā)展情況

根據(jù)增益介質(zhì)的種類不同，激光器可分為氣體激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器和固體激光器。氣體激光器和染料激光器由于體積大、壽命短、不穩(wěn)定、安全性較低等缺點，已經(jīng)逐漸退出了主流的研究方向。半導(dǎo)體激光器雖然集成化程度高，可以實現(xiàn)小型化，但是由于半導(dǎo)體激光器利用高濃度載流子發(fā)光，其輸出光容易受到電流波動和溫度的影響，光束質(zhì)量相對較差。相較而言，固體激光器有著體積較小、壽命長、光束質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。固體激光器可分為使用晶體介質(zhì)的固態(tài)激光器和使用光纖介質(zhì)的光纖激光器。

1.1 GHz全固態(tài)激光器的發(fā)展情況

全固態(tài)激光器最為常用的飛秒脈沖產(chǎn)生技術(shù)有基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）的被動鎖模技術(shù)和克爾透鏡（KLM）鎖模技術(shù)。

1.1.1 SESAM鎖模技術(shù)

SESAM由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院U.Keller發(fā)明，并于1992年首次使用它在全固態(tài)振蕩器中實現(xiàn)了穩(wěn)定的被動鎖模［11］。基于光入射到可飽和吸收體的光強(qiáng)增加而吸收降低的吸收漂白效應(yīng)，將半導(dǎo)體可飽和吸收體與反射鏡集成起來，就得到了隨著入射光強(qiáng)提高，反射率增大的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）。在激光鎖模的過程中，SESAM對諧振腔內(nèi)的激光進(jìn)行了振幅調(diào)制，入射強(qiáng)度較低的光會產(chǎn)生較大損耗，而入射強(qiáng)度較高的光則幾乎無損地被反射，使得激光整體在諧振腔中循環(huán)時，光強(qiáng)較高的光不斷增強(qiáng)，直到射出振蕩器，而光強(qiáng)較弱的光在循環(huán)中不斷變?nèi)?，最后被損耗掉，以此形成超短脈沖。但是由于增益介質(zhì)的發(fā)射帶寬和諧振腔內(nèi)震蕩補(bǔ)償問題，在SESAM鎖模技術(shù)提出的前十幾年，得到的激光脈沖均為皮秒量級。2010年，日本富士膠片公司的S.Yamazoe等人報道了通過SESAM被動鎖模技術(shù)使用Yb+3：KY（WO4）2得到中心波長為1045 nm，平均功率為680 mw，單脈沖峰值功率為1.5 kW，重復(fù)頻率為2.8 GHz的飛秒脈沖［12］。同年瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院U.Keller課題組的Selina Pekarek等人通過錐形分布式布拉格二極管激光器泵浦Yb：KGW晶體得到了平均功率1.1 W，脈沖寬度為281 fs的孤子脈沖，并通過增加泵浦功率，觀察到了2，3，4 GHz的諧波鎖模狀態(tài)［13］。2012年，Selina Pekarek等人又在之前工作的基礎(chǔ)上，通過泵浦Yb：KGW晶體，得到了重復(fù)頻率為4.8 GHz，脈沖寬度為396 fs，平均功率1.9 W，峰值功率0.9 kW的飛秒脈沖［14］。2014年，U.Keller課題組換用另一種摻鐿晶體Yb：CALGO得到了脈沖寬度小于60 fs，重復(fù)頻率1.8 GHz，平均功率為2.95 W的飛秒脈沖［15］。同年，韓國科學(xué)技術(shù)院的Hee-Won Yang等人，基于可飽和吸收鏡的原理，制造了一種碳納米管可飽和吸收鏡，并通過泵浦Yb：KYW晶體，得到了重復(fù)頻率1.2 GHz，脈沖寬度168 fs，中心波長1047 nm的飛秒脈沖輸出［16］。2017年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院U.Keller團(tuán)隊的的A.S.Mayer等人報道了通過泵浦Yn：CaGdAlO4晶體，獲得重復(fù)頻率10.6 GHz，平均輸出功率1.2 W，脈沖寬度166 fs的飛秒脈沖，自此將SESAM鎖模技術(shù)可獲得的飛秒脈沖重復(fù)頻率提高到了10 GHz量級［17］。2021年，同一課題組的Ajan Barh等人基于SESAM被 動 鎖 模，通 過 使 用InGaSb/GaSb的SESAM和泵浦Cr2+摻雜的ZnS晶體得到了脈沖寬度為155 fs，中心波長為2380 nm，平均功率0.8 W的中紅外GHz全固態(tài)激光器［18］。Ajan Barh等人的工作，拓展了SESAM被動鎖模技術(shù)在GHz中紅外激光器中的應(yīng)用。

國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的課題組在GHz固態(tài)激光器方面的研究還有所欠缺，已有的研究多集中于GHz飛秒光纖激光器。

1.1.2 KLM鎖模技術(shù)

KLM鎖模技術(shù)在1990年由D.E.Spence等人發(fā)現(xiàn)，由于當(dāng)時的實驗系統(tǒng)中沒有任何控制鎖模的器件，就能實現(xiàn)自主鎖模［19］，所以一開始又被稱為自鎖模。后來研究人員發(fā)現(xiàn)鈦寶石晶體能夠發(fā)生克爾效應(yīng)，并且由此產(chǎn)生類似透鏡的非線性效應(yīng)，因此這種鎖模方式被命名為克爾透鏡鎖模。光克爾效應(yīng)的原理是各向同性的介質(zhì)，在強(qiáng)光照射的條件下，會表現(xiàn)出雙折射的特性，具體可表示為

式中：為克爾介質(zhì)的折射率；nx，y為介質(zhì)的線性折射率；n2為介質(zhì)的非線性折射率系數(shù)；I(t，r)為通過介質(zhì)的廣場強(qiáng)度，與時間t和空間r有關(guān)。

由于一般激光的能量分布多為高斯分布，根據(jù)式（1），光束中心和邊緣在經(jīng)過介質(zhì)時會產(chǎn)生不同的色散，從而發(fā)生自聚焦效應(yīng)，產(chǎn)生脈沖寬度較窄的超短脈沖。

2001年，卡爾斯魯厄大學(xué)的R.Ell等人利用KLM鎖模的鈦寶石激光器獲得了脈沖寬度為5 fs，重復(fù)頻率65 MHz，平均功率為120 mW，光譜范圍覆蓋600～1200 nm的飛秒脈沖［20］，其在之后的數(shù)年中都是飛秒脈沖寬度的世界紀(jì)錄保持者。2009年，華沙大學(xué)的P.Wasylczyk等人利用Yb：KWY晶體首先獲得了重復(fù)頻率1.0138 GHz，脈沖寬度200 fs，中心波長1047 nm的飛秒激光脈沖［21］，由此開啟了基于克爾透鏡鎖模的全固態(tài)飛秒激光器的GHz時代。因為KLM鎖模的腔內(nèi)結(jié)構(gòu)較少，且克爾效應(yīng)只有在光強(qiáng)滿足一定條件時才能實現(xiàn)，所以對于諧振腔內(nèi)的條件要求較高。2012年，日本東京大學(xué)的Mamoru Endo等人將反射鏡鍍膜以提高諧振腔內(nèi)的功率，使得腔內(nèi)功率滿足通過克爾效應(yīng)產(chǎn)生高重復(fù)頻率脈沖的功率要求，通過750 mW的泵浦功率得到了重復(fù)頻率為3.3 GHz，輸出功率13.5 mW，脈沖寬度150 fs的飛秒脈沖［22］。同年Mamoru Endo團(tuán)隊基于之前的工作得到了重復(fù)頻率4.6 GHz，輸出功率為14.6 mW，中心波長為1046 nm，脈沖寬度146 fs的飛秒脈沖［23］，并記錄了實驗中不同泵浦功率下，輸出脈沖的鎖模狀態(tài)和輸出功率。同年，芬蘭赫爾辛基大學(xué)的Markku Vainio等人利用克爾透鏡鎖模，泵浦鈦藍(lán)寶石，得到了重復(fù)頻率1 GHz，中心波長1.6μm，頻譜范圍85 nm，長期運行的平均輸出功率大于100 mW的飛秒光學(xué)參量振蕩器［24］。2013年，Mamoru Endo團(tuán)隊制作了一個克爾透鏡鎖模Yb：Lu2O3陶瓷激光器，得到了5.2 GHz的鎖模脈沖，并通過自制的大型透射光柵開發(fā)了一臺高分辨力光譜儀，清晰地觀察到了鎖模脈沖頻譜上每個縱模所對應(yīng)的梳齒［25］。2015年，Mamoru Endo團(tuán)隊又在之前工作的基礎(chǔ)上，得到了重復(fù)頻率15 GHz，脈沖寬度152 fs的脈沖輸出，在泵浦功率為1.1 W時，最大輸出功率可達(dá)60 mW［26］。2016年，伯明翰大學(xué)的Sergey Vasilyev等人利用KLM鎖模技術(shù)，通過摻鉺激光器泵浦Cr：ZnS晶體，得到了重復(fù)頻率最高1.2 GHz，脈沖寬度50 fs，中心波長為2.4 μm的中紅外飛秒脈沖輸出［27］，并在1 GHz時獲得了1.2 W的輸出功率。2019年，東京大學(xué)的Shota Kimura等人改進(jìn)了常用的四器件8字形諧振腔，通過一種新的三器件腔體結(jié)構(gòu)（如圖1所示），得到了最高達(dá)到23.8 GHz的飛秒脈沖輸出［28］，這種新的腔體結(jié)構(gòu)突破了由于光學(xué)元件尺寸和腔體優(yōu)化精度限制而使四器件諧振腔無法獲得20 GHz重復(fù)頻率輸出脈沖的瓶頸。但是受限于腔內(nèi)器件的尺寸問題，全固態(tài)激光器的重復(fù)頻率至此到達(dá)了一個新的瓶頸，很難進(jìn)一步提高。

圖1 兩種諧振腔示意圖[28]Fig.1 Schematic diagram of two resonators[28]

國內(nèi)關(guān)于KLM鎖模技術(shù)最早的報道是2009年中科院物理所的張青等人使用532 nm的激光泵浦鈦寶石，獲得了重復(fù)頻率1.1 GHz，輸出功率為30 mW，脈沖寬度小于10 fs，光譜范圍覆蓋670～920 nm的脈沖輸出［29］。2021年，西安電子科技大學(xué)的鄭立等人通過光纖激光器泵浦Yb：KGW晶體，獲得了2 GHz的激光脈沖，在平均輸出功率為1.7 W的情況下，脈沖寬度為145 fs［30］，這是至今為止，利用KLM鎖模GHz重復(fù)頻率全固態(tài)激光器所能得到的最高功率。

1.2 GHz光纖激光器的發(fā)展情況

SESAM鎖模技術(shù)不但在全固態(tài)激光器中有著廣泛的應(yīng)用，在光纖激光器中也是一種主流的脈沖生成技術(shù)。2005年，東京大學(xué)的S.Yamashita等人利用碳納米管可飽和吸收體在1550 nm波段得到了重復(fù)頻率5.18 GHz，脈沖寬度為680 fs的飛秒脈 沖［31］。2011年，該 課 題 組 的A Martinez和S Yamashita利用碳納米管可飽和吸收體獲得了中心波長為1563 nm，重復(fù)頻率為19.45 GHz，脈沖寬度為790 fs的脈沖輸出，該重復(fù)頻率為至今為止飛秒可飽和吸收體光纖激光器所能得到的最高重復(fù)頻率［32］。2013年，英國圣安德魯斯大學(xué)的A A Lagatsky等人利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡搭建了一臺中心波長為1050 nm，脈沖寬度811 fs，重復(fù)頻率最高可達(dá)15 GHz的摻鐿光纖激光器［33］。

國內(nèi)研究團(tuán)隊在SESAM鎖模的GHz光纖飛秒激光器的研究領(lǐng)域建樹頗豐。2019年，中科院西光所的王虎山等人報道了一種利用SESAM鎖模的低噪聲摻鉺飛秒激光器，能夠輸出重復(fù)頻率2.68 GHz，脈沖寬度244 fs的飛秒脈沖，從30 MHz～300 Hz的時間抖動為82.5 fs［34］。2021年，楊中民課題組報道了利用SESAM鎖模技術(shù)搭建的全光纖激光器，在1.5 μm的中心波長下，重復(fù)頻率4.9 GHz，脈沖寬度63 fs，平均輸出功率10 W［35］。2022年，華南理工大學(xué)楊中民課題組的王偉超等人使用鉺鐿共摻光纖，通過搭建SESAM鎖模的全光纖激光器在泵浦功率僅為90 mW的情況下，得到了重復(fù)頻率1.6 GHz，脈沖寬度為390 fs的飛秒脈沖輸出［36］。同年，同一課題組的梁兆恒等人，展示了一種飛秒摻銩光纖激光器，利用SESAM鎖模技術(shù)獲得了2 μm波段下，重復(fù)頻率11.3 GHz，平均功率612 mW的中紅外飛秒脈沖，這是在該波段下目前所能得到的最高重復(fù)頻率［37］。

由于光纖獨有的一些非線性特點，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員開發(fā)出了獨屬于光纖激光器的幾種鎖模方式：非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模（NPR）、高次諧波鎖模、非線性放大環(huán)形鏡鎖模（NALM）等，由于NALM需要一定長度的光纖積累非線性相移，故至今為止利用NALM技術(shù)所得到的飛秒脈沖的重復(fù)頻率最高只有700 MHz［38］。下面主要介紹NPR鎖模和高次諧波鎖模。

非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模是光纖激光器中很常用的一種鎖模方式，其原理是：利用偏振分光棱鏡和二分之一、四分之一波片一起組成帶有偏振選擇功能的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將自由運轉(zhuǎn)的普通激光在偏振分光棱鏡處轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏光，之后經(jīng)過波片轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光。由于單模光纖具有的非線性效應(yīng)，當(dāng)諧振腔內(nèi)的光強(qiáng)達(dá)到一定值時，會積累與光強(qiáng)相關(guān)的非線性相移，導(dǎo)致脈沖中不同位置處由于光強(qiáng)的不同而在相互正交的偏振方向上產(chǎn)生不同的非線性相移，因此改變了偏振態(tài)。根據(jù)上述原理，通過調(diào)節(jié)波片，選擇脈沖中心所對應(yīng)的偏振態(tài)，將邊緣部分濾掉，以此壓縮脈沖獲得超短脈沖。但是由于NPR鎖模利用的是單模光纖的雙折射效應(yīng)，極易受到震動的影響導(dǎo)致失鎖，故NPR技術(shù)目前仍處于實驗室研究階段，很少獲得實際工程應(yīng)用，并且NPR技術(shù)的脈沖重復(fù)頻率受限于光纖長度，如果光纖長度較長則無法得到較高的重復(fù)頻率，如果光纖長度較短則會出現(xiàn)散熱問題，燒壞光纖。因此，通過NPR技術(shù)產(chǎn)生的激光很少直接達(dá)到GHz的重復(fù)頻率，而是基于NPR鎖模產(chǎn)生的脈沖噪聲較低、質(zhì)量較好的特點，將NPR技術(shù)產(chǎn)生的脈沖作為高次諧波鎖模的基頻光來獲得GHz重復(fù)頻率的飛秒脈沖。

高次諧波鎖模更容易獲得更高的重復(fù)頻率。在泵浦功率較高，達(dá)到一定限度的情況下，激光器的諧振腔內(nèi)的脈沖不會無限制地提高峰值，而是會分裂產(chǎn)生多個孤子脈沖。這些孤子脈沖在穩(wěn)定的情況下有著相同的脈沖特性，當(dāng)相互分離時，還會具有相同的脈沖能量和脈沖寬度［39］。根據(jù)這種原理，通過調(diào)整諧振腔的偏振態(tài)，使得諧振腔內(nèi)分裂的孤子脈沖產(chǎn)生相同的時間間隔，從而提高激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率。利用諧波鎖模比較容易獲得高重復(fù)頻率的脈沖激光，但是得到的脈沖的幅度均勻性較差，且在時域上會有較大的抖動［40］。2006年康奈爾大學(xué)的周士安等人利用摻鐿光纖激光器，基于NPR技術(shù)在31次諧波下得到了重復(fù)頻率為1.3 GHz，單脈沖能量小于100 pJ，脈沖寬度為500 fs的激光脈沖，但卻有著6 ps的時間抖動［41］。2013年，勃艮第大學(xué)的Lecaplain等人利用無源諧波鎖模在最高928次諧波下獲得了22.2 GHz重復(fù)頻率的脈沖輸出，而在最穩(wěn)定的第272次諧波下，有著6.52 GHz的重復(fù)頻率和2.3 ps的時間抖動［42］。2015年，西安電子科技大學(xué)的田文龍等人利用75.57 MHz摻鐿飛秒激光器同步泵浦的飛秒光學(xué)參量振蕩器在18211次諧波下獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的1.37 THz重復(fù)頻率，此時的脈沖寬度為138 fs，并且在2 W的泵浦功率下能獲得175 mW的平均功率輸出［43］。

除了以上各種通過諧振腔直接輸出飛秒脈沖的技術(shù)外，還可以通過將諧振腔輸出的光在腔外進(jìn)行模式濾波，過濾掉輸入光的一部分頻率成分，從而得到高重復(fù)頻率的鎖模飛秒脈沖。2017年，中科院國家授時中心的陳茂強(qiáng)通過腔外濾波的方式，將飛秒脈沖的重復(fù)頻率從207 MHz提高為4.77 GHz［44］。但是這種方法存在兩點缺陷：其一，若系統(tǒng)設(shè)置的濾波線寬過寬，則可能無法過濾掉一些本該濾掉的相鄰的縱模，導(dǎo)致產(chǎn)生邊模泄露問題；其二，激光在裝置內(nèi)傳輸?shù)倪^程中會發(fā)生色散，使得縱模之間的間隔發(fā)生變化，而使應(yīng)該透過的縱模發(fā)生偏移［45］。

2 GHz飛秒激光技術(shù)的應(yīng)用

固體激光器具有成本低、體積小、可靠性高、壽命長、相關(guān)產(chǎn)業(yè)較為成熟等優(yōu)點，有著巨大的市場需求和應(yīng)用潛力。在激光加工中，超短脈沖由于作用時間短，使得激光在材料內(nèi)部形成的熱擴(kuò)散面積小，能夠精確地對材料進(jìn)行加工［46］。1995年，密歇根大學(xué)的P.P.Pronko等人使用脈沖寬度200 fs，中心波長800 nm的鈦寶石激光器加工出了一個直徑300 nm，深52 nm的小孔［47］，由此開啟了飛秒激光加工的時代。2003年，Rizvi N H整理了飛秒激光對于金屬、玻璃、金剛石、各類聚合物、陶瓷等材料的微加工技術(shù)進(jìn)展，并比較了飛秒激光加工與相似作用的競爭方案之間的優(yōu)勢和潛力［48］。重復(fù)頻率為kHz或者M(jìn)Hz量級的超快激光器由于加工速度較慢，不符合一些對加工速度有要求的生產(chǎn)場合，且單純提升激光器的輸出功率會使得熱擴(kuò)散面積增大，損傷加工材料，降低加工精度，并且當(dāng)重復(fù)頻率較低時，由于相鄰脈沖之間的時間間隔較大，在加工中受熱的加工點會有更多的時間將熱量擴(kuò)散到相接觸的周圍材料，導(dǎo)致熱擴(kuò)散面積增大，加大熱損傷范圍。而使用重復(fù)頻率為GHz的超快激光器能夠有效避免上述問題。2016年，土耳其比爾肯特大學(xué)的Can Kerse等人通過提高飛秒激光器的重復(fù)頻率，利用燒蝕冷卻機(jī)制減小激光加工中對于目標(biāo)周圍的熱擴(kuò)散影響，并使用1.7 GHz的飛秒激光器分別去除牙質(zhì)和小鼠的腦組織，結(jié)果表明，相較低重復(fù)頻率的飛秒激光器，GHz飛秒激光器在加工中產(chǎn)生的熱損傷小了很多，并且加工速率提高了數(shù)倍［49］。2020年，法 國Amplitude Systèmes公 司的Guillaume Bonamis等人基于Can Kerse等人之前的工作，分別使用0.88，1.76，3.52 GHz的飛秒激光器，改變不同的激光功率和脈沖串發(fā)射時間，探究對于幾種不同金屬和非金屬的燒蝕效率和加工質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)對于不同的金屬，在其他條件不變的情況下，通過選擇對應(yīng)的激光重復(fù)頻率和脈沖串發(fā)射時間，能夠得到最高的燒蝕效率和良好的加工質(zhì)量［50］。

由于飛秒脈沖的脈沖寬度較短，小于現(xiàn)有的任何電子器件的時間分辨力（ps量級），并且電子系統(tǒng)的時間抖動也會掩蓋飛秒量級的光脈沖帶來的高速響應(yīng)的高精度優(yōu)勢，為了解決上述問題，研究人員將飛秒激光器擴(kuò)譜鎖定制作成飛秒光梳，利用光梳的超穩(wěn)和寬光譜特性進(jìn)行距離測量。高重復(fù)頻率的飛秒激光器對于飛秒光梳測距也具有重要意義，在飛秒光學(xué)頻率梳中，重復(fù)頻率在頻域中表示光梳頻域中相鄰兩個梳齒之間的間隔，在時域中，重復(fù)頻率的倒數(shù)表示飛秒激光器的發(fā)射周期。提高重復(fù)頻率能夠增大激光器頻域中相鄰梳齒間的間隔，防止頻譜混疊影響測距精度。當(dāng)光梳的重復(fù)頻率一定時，單純地增大雙梳間差頻的值，會導(dǎo)致系統(tǒng)的等效采樣率降低，影響干涉信號的恢復(fù)。清華大學(xué)吳冠豪團(tuán)隊對此開展了相關(guān)研究［51］，并對結(jié)果進(jìn)行了分析（如圖2所示），得出重復(fù)頻率一定時，存在一個差頻的最優(yōu)取值，使得此時得到的測量精度最高，這個最優(yōu)解僅受到光梳重復(fù)頻率的影響。在一些對測距要求比較高的應(yīng)用場景中，若使用MHz或kHz飛秒光梳會存在精度和測量速度不能完全兼顧的問題，而使用GHz飛秒激光器則能夠有效避免該問題，通過提高激光器的重復(fù)頻率，增大精度最高時對應(yīng)的差頻的最優(yōu)解，從而在提高測量速度的同時保持很高的測量精度。

圖2 56 MHz重復(fù)頻率光梳的重復(fù)頻率差最優(yōu)區(qū)間分析[51]Fig.2 Optimal solution analysis of repetition frequency difference of 56 MHz repetition frequency optical comb

GHz飛秒激光在光譜測量領(lǐng)域也有其獨特的優(yōu)勢。對于常用于燃燒診斷領(lǐng)域的飛秒激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)和飛秒成絲誘導(dǎo)非線性光譜技術(shù)，使用重復(fù)頻率更高的激光器能得到更快的測量速度，對于某些需要進(jìn)行高速測量的應(yīng)用場景有著重要的價值［52］。而對于各種單、雙飛秒光梳光譜測量技術(shù)，使用的激光器重復(fù)頻率達(dá)到GHz量級后，在頻域上梳齒狀的縱模會分離，并且以梳齒線寬的分辨力進(jìn)行寬光譜測量。將頻率梳應(yīng)用于高精度分子光譜時，模式間距應(yīng)大于熱多普勒展寬。例如，在室溫下，氫分子在1000 nm躍遷時的多普勒展寬約為3 GHz，此時需要使用重復(fù)頻率大于3 GHz的飛秒激光器進(jìn)行光譜測量［34］。在天文應(yīng)用中，多普勒速度漂移的精確測量是研究宇宙膨脹歷史和尋找太陽系外行星的重要課題。使用多GHz飛秒鎖模激光器作為天文光譜儀的校準(zhǔn)器，可以減少所需濾波腔的數(shù)量，以獲得足夠大的模間距，并使得整個系統(tǒng)更加可靠，在天文臺有限的實驗環(huán)境下也更容易操作，且由于飛秒光梳的超穩(wěn)特性，即使激光器進(jìn)行長時間工作，也能保證激光器的縱模波動在mHz量級甚至更低［53］。

3 總結(jié)與展望

GHz固體飛秒激光器在國際上已經(jīng)取得了非常杰出的研究進(jìn)展，但是目前也發(fā)展到了接近瓶頸的水平。對于高重頻所帶來的高噪聲的問題，北大張志剛教授課題組最近報道的一種硅基光梳，將業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為的高重頻會帶來更高噪聲問題歸因于機(jī)械噪聲，并通過玻璃結(jié)構(gòu)搭建了一套GHz飛秒光纖激光器，得到了非常優(yōu)秀的結(jié)果［54］。而根據(jù)重復(fù)頻率fr的計算公式fr=為光速；L為諧振腔的光學(xué)長度），可知想要提高重復(fù)頻率就必然要縮短腔長。

對于光纖激光器，以光纖的折射率為1.5計算，若要實現(xiàn)20 GHz的重復(fù)頻率，則需要的腔長為5 mm。由于光纖激光器的腔長過短，使得增益光纖無法完全將泵浦光吸收，由此帶來的嚴(yán)重的散熱問題可能會導(dǎo)致光纖被燒壞。并且產(chǎn)生高重復(fù)頻率脈沖所需要的增益光纖的高摻雜濃度也很難進(jìn)一步提升，這也限制了飛秒光纖激光器重復(fù)頻率的提高。

對于全固態(tài)飛秒激光器，其諧振腔內(nèi)的晶體和各種器件受限于制作工藝，在達(dá)到一定尺寸后很難進(jìn)一步縮小，使得研究人員很難繼續(xù)提高重復(fù)頻率。雖然單純的飛秒固體激光技術(shù)很難再提升重復(fù)頻率，但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光泵浦垂直外腔面發(fā)射鎖模半導(dǎo)體激光器（VECSEL）等將半導(dǎo)體技術(shù)與固體激光技術(shù)相結(jié)合的手段更容易獲得較高的重復(fù)頻率。2006年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Aschwanden等人利用VECSEL技術(shù)搭建了輸出50 GHz的皮秒激光器［55］，同組的Oliver D等人在2011年利用VECSEL技術(shù)做出了最高可達(dá)11.3 GHz重復(fù)頻率的飛秒激光器［56］。由于半導(dǎo)體技術(shù)高集成性的特點，利用此技術(shù)有著得到100 GHz重復(fù)頻率脈沖輸出的潛力。雖然單純的GHz飛秒激光器在提升重復(fù)頻率的方向陷入了一個瓶頸，但類似VECSEL這種結(jié)合半導(dǎo)體技術(shù)的飛秒固體激光器還有著很大的潛力供研究人員挖掘。