新利体育 难道你还不知道这个吗？放大利润的神器——超短脉冲激光源

新利体育 难道你还不知道这个吗？放大利润的神器——超短脉冲激光源：超短光脉冲目前广泛用于计量、通信、光谱学、太赫兹科学、眼科和材料处理。鉴于这种变化，所需的脉冲参数（例如脉冲能量和持续时间、重复率和波长）分布在广泛的多维参数空间中也就不足为奇了。

此外，应用可能需要其他特性，例如紧凑性、多年可靠运行、能源效率、低冷却要求、高光束质量和低成本。由于这些原因，有几种非常不同的超短脉冲激光源。本文的目的是描述主要技术并简要讨论它们的潜力。

皮秒和飞秒激光

在大多数情况下，超短脉冲是由空间阻挡激光器产生的。在这里，一个皮秒或飞秒脉冲，有时还有一系列以规则间隔的脉冲通过激光腔（图 1）。循环脉冲受各种影响，但通常这些激光器在稳定状态下运行，脉冲参数或多或少是恒定的，或者至少在谐振器每转一圈后重复。每当一个脉冲到达发射输出的开关镜部分时，该脉冲就作为有用的输出被发射，并且输出脉冲以规则的间隔形成一串脉冲。

例如，可以使用主动和被动方法来强制发射这种脉冲而不是连续光。聚焦锁定使用腔内调制器来调制周期性损耗或相移并锁定进出腔。虽然主动损耗调制的最大速率通常会随着高达数万皮秒的脉冲宽度而降低，但饱和衰减器中的被动损耗调制可以产生更短的脉冲。在极端情况下，脉冲持续时间为几飞秒。激光腔中的散射和非线性效应对于非常短的脉冲尤为重要，并会导致关键的设计问题。

基于掺杂稀土元素的激光晶体、玻璃或过渡金属掺杂晶体（例如 Ti：蓝宝石）的空间阻挡半导体激光器通常以单周期脉冲运行，空化率从 1 ns 到 100 ns（纳米）。 † †，导致数万或数百兆赫兹的脉冲重复率。典型的平均输出功率约为 1 W，脉冲能量为 1-100 nJ。

更高的能量，例如几微焦耳

强大的空间阻挡薄膜激光器可以产生更高的平均效果。另一种策略是实现较低的脉冲重复率，但这会导致不切实际的激光腔和腔中的强非线性效应。锁模光纤激光器还可以产生短脉冲或飞秒脉冲，有时具有显着的波长可调性，在大多数情况下重复频率低于 100 MHz 甚至 10 MHz。还可以通过增加复谐波块来实现多个 GHz 重复频率。激光放大的其他方式可以访问其他参数区域，例如 B. 半导体激光器的非常高的脉冲重复频率（低脉冲能量）或其他波长的彩色激光器（可见光 z.B.）。然而，除了电信之外，离子掺杂的半导体放大设备在科学和工业应用中占主导地位。

重置微焦耳脉冲谐振器

即使使用高度聚焦的激光束进行微加工，通常也需要比大多数空间耦合激光器更高的脉冲能量，而较低的脉冲重复率（因此较低的平均功率）通常是可以接受的。当使用包含电子控制的光学开关（例如，普克尔斯盒和薄膜偏振器）的锁腔激光器时，可能会发生这种情况。在大多数情况下，谐振器中的损耗很小，因此在谐振器中会产生强脉冲。如果重复率是返回频率的一小部分（例如 100kHz 或 1MHz），请使用开关来阻止大部分输出循环脉冲能量。因此，可以获得更多的微焦耳。然而，腔体衰减器不应仅仅被视为空间耦合激光器的补充，因为该器件的附加非线性和色散以及腔内脉冲的时变能量可以完全改变该过程并使该过程复杂化。脉冲建模。实现稳定和非常短的脉冲。

音量放大器和光纤放大器

对于更高的脉冲能量，一种概念上更简单的方法是以最大激光重复率放大整个输出信号，以实现更高的平均功率（或者，可以使用启动激光器下游的脉冲选择器降低脉冲重复率）。庞大的硬芯片设备的高利润通常需要几个步骤来组织芯片。 （特别是飞秒放大器，单通增益非常有限。）在这方面，光纤放大器更简单，因为它可以产生大的单通增益并且具有更大的增益带宽。比大多数晶体宽。然而，在这种情况下，长光纤的色散，特别是如果高度非线性，会对脉冲产生强烈的负面影响，例如强烈的扩展甚至脉冲中断。这种效应对于短脉冲特别强，并且会严重限制可实现的脉冲能量。因此，这种光纤放大器通常以高重复率运行，例如数万或数百兆赫兹，强度接近脉冲能量等平均功率。

再生放大器

如果脉冲重复率小于10kHz，几毫焦甚至几焦的脉冲能量仍能兼容几瓦或几万瓦的合理平均功率。例如，通过在状态锁定激光器后面使用电光脉冲选择器，可以很容易地实现这种低重复率。再生放大器通常用于放大此类脉冲。该单元由一个谐振器组成，该谐振器本质上类似于体激光器，但具有一个或两个光开关（通常是电光开关）来传递触发脉冲并从选定的谐振器中移除放大的脉冲。通过数百或数千次循环，即使使用增益相对较低的体激光晶体，也可以轻松实现非常高的增益。

与谐振器阻尼系统相比，再生放大器可以实现更高的脉冲能量，因为脉冲建模和放大过程不相互耦合。对单独的半激光器的需求可以被视为具有出色性能的合理价格，同时避免了一体式方法典型的一些主要技术挑战。

尖脉冲

峰值功率是一个限制因素，尤其是在光纤放大器和再生放大器中。一种常见的解决方案是放大调制脉冲。在这种情况下，脉冲首先由色散元件（例如一对光栅）例如 B 传输。脉冲在到达放大器本身之前被拉伸几纳秒。在放大的最后阶段之后，第二个元件被施加一个基本上相反的色散，这反过来有节奏地压缩脉冲。这意味着放大器的峰值功率与峰值输出功率相比降低了几个数量级。

压缩脉冲放大现在广泛应用于大型放大系统，将毫焦级甚至焦耳级的脉冲能量作为飞秒脉冲，满足一些基础研究领域如高科技物理的要求。原则上，它也适用于光纤设备。然而，在此类系统中使用碳压缩机部分消除了光纤系统的实际优势，因为部分脉冲通过空气传播，需要微调才能将其带回光纤。但是，这种纯光纤循环脉冲放大系统的技术还没有得到充分发展。

参量振荡器、振荡器和放大器

其他参数单位可用于获得其他感兴趣的波长。与锁态激光器同步泵浦的光学参量振荡器可以产生可调波长的皮秒或飞秒脉冲。在某些情况下，在非常简单的参量振荡器中，也可能缺少振荡器谐振器。特别感兴趣的是参量放大器，它在通过具有宽增益带的非线性晶体时提供非常高的增益。除了循环脉冲放大器外，该放大器现在还用于产生以太瓦为单位的峰值功率。放大器内部的强脉冲延长还允许使用高功率 Q 开关激光器作为泵浦源。