張志剛

（北京大學(xué) 電子學(xué)院，北京 100871）

0 引言

GHz重復(fù)頻率激光器在應(yīng)用上取得新進(jìn)展，引起廣泛關(guān)注，例如光學(xué)頻率梳［1］、高采樣率光譜學(xué)［2-3］、高速測距［4-5］和成像［6］等。就連飛秒微細(xì)加工，也因為GHz重復(fù)頻率而發(fā)生了“革命”［7-8］。

常規(guī)的固體飛秒激光器和光纖飛秒激光器的重復(fù)頻率大都是幾十MHz到幾百MHz，很少有GHz的。因為在只需要飛秒激光器就可以滿足應(yīng)用的場合，較低的重復(fù)頻率可以使單脈沖能量更高。在需要放大的場合，脈沖的間隔如果太小，對選單脈沖用的開關(guān)速度要求就會很高，增加了成本。其次，在激光器的制作上，幾十MHz的激光器制作起來更容易，特別是光纖激光器，無論是哪種鎖模機(jī)制，長一點的光纖會使光纖器件容易制作。隨著應(yīng)用需求的增加，GHz激光器逐漸受到重視。

本文從GHz重復(fù)頻率的激光器應(yīng)用需求出發(fā)，闡明GHz激光器的重要性，對GHz激光器研制的難點和主要技術(shù)進(jìn)行介紹，并展望了GHz激光器的發(fā)展趨勢。

1 GHz重復(fù)頻率——雙光梳光譜學(xué)的“金標(biāo)”

光學(xué)頻率梳本來不需要非得1 GHz的重復(fù)頻率，幾百MHz也不是不行。但是GHz光頻梳的優(yōu)勢是，頻率間隔大，單根梳齒的功率高；拍頻的時候容易判斷被測光頻離哪根梳齒近，因此用分辨力不高的波長計就可以解決。

大于1 GHz是不是也可以？也是可以的，但是為了鎖定頻率梳而擴(kuò)譜需要的平均功率會成倍增加，導(dǎo)致擴(kuò)譜用光纖的壓力。所以1 GHz是比較恰當(dāng)?shù)倪x擇。

在吸收光譜學(xué)中，雙光梳光譜學(xué)是一種可以不用光譜儀的吸收光譜學(xué)新方法。這種方法將在光譜吸收信號，變成射頻信號。在不需要高采樣率的情況下，脈沖重復(fù)頻率在100 MHz就能勝任。但是在需要測量快速過程（例如燃燒過程的情況下），就需要更高的采樣速率，這樣就要求更高的脈沖重復(fù)頻率。

但是采樣速率的高低和吸收光譜的線寬有關(guān)。吸收光譜的線寬一般在3～5 GHz，梳齒間隔太小，采樣速率上不去；梳齒間隔太大，會使采樣點不足或錯過了吸收譜線。所以，光譜的光頻寬度Δν與射頻的關(guān)系定義為［2］

式中：m為從射頻到光頻的放大倍數(shù)；frep為脈沖的重復(fù)頻率；Δfrep為雙光梳之間的重復(fù)頻率差，重復(fù)頻率差代表采樣速率，其倒數(shù)是采樣間隔時間。

如圖1所示，激光頻率的梳齒間隔從200 MHz到30 GHz演變時，當(dāng)光通過氣體長度為5 mm，氣壓為1 bar，甲烷含量為0.5% mol時，模擬的不同光譜采樣間隔的甲烷（CH4）氣體吸收譜。從圖1可以看到，在200 MHz時，采樣出來的光譜非常光滑，但是采樣速率過低。當(dāng)頻率間隔為1 GHz時，采樣點足夠多而未發(fā)現(xiàn)畸變。超過2 GHz時，測得的吸收光譜發(fā)生了明顯的畸變，顯示頻率間隔過大，采樣點不足。

圖1 模擬的對不同光譜采樣間隔的甲烷(CH4)氣體吸收譜[3]Fig.1 Modeled spectra of methane (CH4) plotted with different spectral point spacing (offset for clarity) [3]

當(dāng)激光器的光學(xué)頻率梳為1 GHz、雙光梳重復(fù)頻率差為90 kHz時，采樣點達(dá)到11 μm［3］，采樣速率和采樣點數(shù)都可滿足需求，故稱1 GHz為雙光梳光譜學(xué)的“金標(biāo)”。因此，選用重復(fù)頻率幾十GHz的微腔光梳對雙光梳光譜學(xué)測量，對3～5 GHz線寬的吸收光譜是不合適的。

在天文光譜定標(biāo)用的“天文光梳”中［9］，滿足天文光譜儀分辨力需求的梳齒間隔，即脈沖的重復(fù)頻率，往往需要幾十GHz，并且光譜范圍要覆蓋到可見光。常規(guī)的激光器很難達(dá)到幾十GHz，而且成熟的飛秒激光器工作波長也不在可見光。

事實上，如果有辦法直接產(chǎn)生數(shù)十GHz重復(fù)頻率的脈沖，也不一定是好事，如果激光器輸出的光譜不能直接產(chǎn)生覆蓋整個光譜儀感光區(qū)間，就需要擴(kuò)譜和波長變換。而擴(kuò)譜和波長變換需要較高脈沖能量（> 200 pJ）。在數(shù)十GHz復(fù)頻率下，平均功率可達(dá)數(shù)W。對于1 μm左右芯徑的擴(kuò)譜用光子晶體光纖，這個功率會燒壞就會顯得過高，容易燒壞擴(kuò)譜用光纖。相對而言，1 GHz左右的頻率間隔，可能是比較適合的擴(kuò)譜用頻率。擴(kuò)譜時平均功率不太高，擴(kuò)譜后也比較容易通過法布里-珀羅腔把頻率倍增上去。

2 GHz重復(fù)頻率飛秒固體激光器技術(shù)

GHz重復(fù)頻率首先要求腔短，例如1 GHz重復(fù)頻率對應(yīng)的光學(xué)長度是0.3 m。對于固體激光器來說，這不算短。而對于光纖激光器來說，就顯得過短。因為光纖自身長度和倍頻的耦合器件等都需要一定長度，而且鎖模器件也需要有一定長度，這可能會超出0.3 m。

其次是鎖模機(jī)制。固體激光器，無論是綠光泵浦的鈦寶石，還是半導(dǎo)體激光器直接泵浦的Yb晶體，鎖模機(jī)制不外乎是克爾透鏡鎖模［10］和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（Semiconductor Saturable Absorber Mir?rors，SESAM）鎖模［11］，另外還有應(yīng)用較少的二階非線性鎖模［12］。

2.1 克爾透鏡鎖模：啟動鎖模需要第一推動力

克爾透鏡鎖模因其脈沖短、效率高，在80～100 MHz重復(fù)頻率的鈦寶石激光器中廣泛應(yīng)用。

由于克爾透鏡自聚焦效果對于長腔并不明顯，為了獲得克爾透鏡鎖模，首先要把腔調(diào)至穩(wěn)區(qū)的邊緣；其次需要一個外界推動力來啟動鎖模，外界推動力可以是腔內(nèi)的擾動（例如相干公司的MIRA）以推動反射鏡（例如Femto Lasers）；此外，還需要有光闌輔助，光闌包括硬光闌和軟光闌。硬光闌是在輸出鏡前，加一個可調(diào)諧光闌，腔內(nèi)增加擾動的同時，逐漸縮小光闌，鎖模就會在某一瞬間啟動。軟光闌是沒有實際的光闌，而是光斑大小與泵浦光的匹配程度或與晶體的匹配程度，導(dǎo)致連續(xù)光與脈沖光獲得增益的不同，克爾透鏡鎖模軟光闌效果圖如圖2所示。

圖2 克爾透鏡鎖模軟光闌效果圖Fig.2 Schematic of "soft-aperture" effect in Kerr lens mode locking

啟動鎖模需要把激光器調(diào)到穩(wěn)區(qū)的邊緣，此時鎖模變得比較敏感，容易在外界擾動下失鎖。長期不穩(wěn)定性還源于泵浦光和腔模的空間耦合結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)光具座和平臺的機(jī)械強(qiáng)度，會使激光器變得越來越笨重。所以有人很早就提出了可飽和吸收體鎖模的概念，代表性的器件是SESAM［11］。

2.2 SESAM鎖模

SESAM是把對激光波長有吸收的半導(dǎo)體薄膜生長在透明半導(dǎo)體材料的反射鏡上而做成的器件。利用半導(dǎo)體薄膜的可飽和吸收效應(yīng)，給腔內(nèi)噪聲中的高峰值脈沖較大的反射率，給連續(xù)光和弱脈沖以較小的反射率，幫助大脈沖占據(jù)整個腔。這種鎖模方式不依賴于腔是否工作在穩(wěn)區(qū)邊緣，可長期鎖模。

但是也正是這個原因，單從脈沖列上，永遠(yuǎn)無法分清腔內(nèi)運轉(zhuǎn)的到底是皮秒還是飛秒脈沖，盡管啁啾鏡或棱鏡對色散補(bǔ)償就在腔內(nèi)。因為非線性效應(yīng)依賴于腔的準(zhǔn)直程度，僅靠可飽和吸收和色散補(bǔ)償，無法達(dá)到足夠的光譜寬度，仍然需要腔的調(diào)節(jié)，使自相位調(diào)制發(fā)揮作用，因此鈦寶石激光器很快就不用SESAM鎖模了。

2.3 克爾透鏡鎖模：高重復(fù)頻率下的自啟動

當(dāng)把固體激光器的重復(fù)頻率增加到GHz時（圖3），克爾透鏡鎖模不需要外力推動，而是自啟動［13-14］。在腔非常短特別是腔內(nèi)的反射鏡的曲率半徑非常小時，等效的共焦腔的腰斑半徑也變得非常?。划?dāng)腰斑變小時，增益對克爾效應(yīng)產(chǎn)生的光斑大小的變化就變得敏感，以至于不用外界擾動，也能讓脈沖占據(jù)腔，即鎖模啟動。

圖3 GHz重復(fù)頻率克爾透鏡鎖模的固體激光器腔型Fig.3 Schematic of GHz repetition rate Kerr lens mode locked solid state laser

不光是鈦寶石激光器，摻鐿的固體激光器也加入到GHz重復(fù)頻率的激光器行列。

為了達(dá)到克爾透鏡鎖模中“軟光闌”的效果，選用單模光纖耦合的半導(dǎo)體激光器泵浦。隨著單模光纖耦合的泵浦功率越來越高，超過1 W，克爾透鏡鎖模的GHz重復(fù)頻率的固體激光器變得容易。但是1 W半導(dǎo)體激光器泵浦的鎖模激光器功率相對較低，選用高功率的光纖激光器泵浦［15］固體激光器。因為是激光器，泵浦激光的模式好，克爾透鏡鎖模也相對容易。從成本角度看，用光纖激光器泵浦比用半導(dǎo)體激光器泵浦代價要高。

為了提高輸出功率、降低成本，選用大模場面積輸出的半導(dǎo)體激光器泵浦。此時，因入射到晶體中的光斑較大，軟光闌很難起作用，所以選擇使用硬光闌［16］，或SESAM［17］。

圖4為高功率多模半導(dǎo)體激光器泵浦的克爾透鏡鎖模的1 GHz固體激光器，其增益介質(zhì)為Yb：CALGO晶體，在20 W泵浦功率下，輸出功率可達(dá)6 W。為了鎖模能自啟動，腔內(nèi)放了硬光闌（HA）［16］。

圖4 1 GHz重復(fù)頻率固體激光器硬光闌克爾透鏡鎖模[16]Fig.4 Schematic of 1 GHz repetition rate Kerr lens mode locked solid state laser with a hard aperture[16]

圖5為高功率泵浦下SESAM鎖模的高重復(fù)頻率Yb：KGW激光器結(jié)構(gòu)圖［17］，重復(fù)頻率為1 GHz，輸出功率為1.1 W，通過改變腔長，激光器的重復(fù)頻率可以提高到4 GHz。

圖5 高重復(fù)頻率Yb:KGW激光器結(jié)構(gòu)圖[17]Fig.5 Structure diagram of Yb: KGW laser with high repetition rate[17]

3 GHz光纖激光器

光纖激光器的鎖模機(jī)制包括：SESAM鎖模［18-19］、非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPE）鎖模［20］、非線性環(huán)路反射鏡（NALM）鎖模［21］等，都可以用于高重復(fù)頻率光纖激光器上。

3.1 SESAM鎖模

SESAM鎖模是最簡單的鎖模機(jī)制，也最易做短光纖腔，但是真正用它做飛秒鎖模的并不多，主要是因為其脈沖相對較寬，激光器輸出功率太低，僅有幾十mW［18-19］。

3.2 NPE鎖模

NPE鎖模是光纖激光器中最可靠的鎖模機(jī)制。利用光纖中自然雙折射和非線性偏振旋轉(zhuǎn)，結(jié)合偏振片和波片，可以達(dá)到脈沖選出的作用。但是因為光纖是非保偏的，容易受到溫度和振動的影響。當(dāng)重復(fù)頻率增加到1 GHz時，光纖長度只有10 cm，而且彎曲會導(dǎo)致某種保偏效應(yīng)。所以穩(wěn)定性有一定保證［22］。

北京大學(xué)在器件上做了大幅改進(jìn)，研制出NPE鎖模的1 GHz摻鐿光纖激光器（如圖6），輸出功率在600 mW以上，脈寬小于100 fs。

圖6 北京大學(xué)研制的1 GHz重復(fù)頻率飛秒光纖激光器[22]Fig.6 Schematic of 1 GHz repetition rate femtosecond fiber laser developed by Peking University[22]

3.3 NALM鎖模

NALM鎖模雖然可以保證自啟動，但是需要將泵浦光的功率先調(diào)到鎖模閾值的數(shù)倍，此時才會產(chǎn)生多脈沖，然后再把泵浦功率降下來，才能維持腔內(nèi)單脈沖運轉(zhuǎn)。但在泵浦功率降下來的過程中，有約1%的幾率一直無法產(chǎn)生單脈沖，這時單脈沖鎖模就失敗了。

因為NALM中有一段線性腔部分使光路長度增加一倍，而另一部分光纖不能過度彎曲，所以很難有高重復(fù)頻率的NALM鎖模激光器出現(xiàn)。目前重復(fù)頻率最高的NALM光纖激光器是北京大學(xué)研制的700 MHz重頻的摻鐿光纖激光器［23］。

在高重復(fù)頻率下，不需要先將泵浦功率提高再降下來，只要鎖模就是單脈沖了［24］。

4 GHz激光器：向“全固態(tài)”發(fā)展

光纖激光器，尤其是NPE鎖模激光器，因為不能用保偏光纖，故對環(huán)境的敏感度高。GHz光纖激光器如何呢？為了解決長期穩(wěn)定性問題，北京大學(xué)對NPE鎖模的光纖激光器做了重要改進(jìn)。首先，用全玻璃鏡架代替原來的金屬鏡架，用玻璃底板代替原來的金屬底板，用半球型底座和雙楔角片提供在線調(diào)節(jié)機(jī)制，并將光纖用硅膠全部封閉，固態(tài)化GHz量級飛秒光纖激光器如圖7所示。通過這樣的措施，將激光器的噪聲大幅降低，抖動低至130 as［25］，使長期穩(wěn)定性也得到大大提高。

圖7 北京大學(xué)研制的固態(tài)化GHz量級飛秒光纖激光器[25]Fig.7 GHz repetition rate solid-state femtosecond fiber laser developed by Peking University[25]

不僅光纖激光器正在向固體激光器發(fā)展，而且固體激光器也在向“全固態(tài)”發(fā)展。星載情況下，光纖在宇宙射線的照射下?lián)p耗會大幅增加，出于安全性要求，固體激光器成為首選。但是如何提高固體激光器對環(huán)境的耐受力，是需要解決的關(guān)鍵問題。

Heriot Watt大學(xué)提出，將所有元件包括晶體和反射鏡都直接貼在鋁板上，使長期穩(wěn)定度得到保障［26］。固化在鋁板上的2.18 GHz固體飛秒激光器如圖8所示。這種將固體激光器“全固態(tài)化”的方式會成為提高固體激光器穩(wěn)定性的趨勢［27］。

圖8 固化在鋁板上的2.18 GHz固體飛秒激光器[27]Fig.8 2.18 GHz repetition rate femtosecond solid-state laser with all components bonded on an aluminum board[27]

5 總結(jié)

GHz重復(fù)飛秒激光器越來越多地被用于高速精密測量、高速吸收光譜學(xué)、光頻梳等。GHz重復(fù)頻率的固體和光纖激光器也獲得充分的發(fā)展。

目前，半導(dǎo)體激光器直接泵浦的1 GHz飛秒光纖激光器輸出的脈沖平均功率最高，可達(dá)1 W，效率也最高；GHz重復(fù)頻率的固體激光器中，半導(dǎo)體激光器直接泵浦的輸出功率有可能比較低，只有數(shù)十mW。多模半導(dǎo)體激光泵浦或高功率激光器泵浦的固體激光器，輸出功率可達(dá)數(shù)W。為了適用各種場合的應(yīng)用，無論是固體激光器，還是光纖激光器，都有向全固態(tài)化發(fā)展的趨勢，即甩掉金屬調(diào)節(jié)架，直接將光學(xué)元件固定在低膨脹率材料制成的底板上，以抵御溫度變化對激光器的影響。

隨著材料科學(xué)和光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光子集成的GHz重復(fù)頻率激光器，有可能會異軍突起，引領(lǐng)新一代超高重復(fù)頻率飛秒激光器。