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飞秒激光器(Femtosecond Lasers)

定义:
发射的脉冲的时间间隔在几个飞秒和几百飞秒之间的激光器。

飞秒激光器是可以发射光脉冲持续时间小于1ps(→超短脉冲)光脉冲的激光器,也就是说是在飞秒时间域内(1 fs = 10−15 s)。因此这种激光器也被归于超快激光器或超短脉冲激光器的分类中。对于产生这种短脉冲,常常用到一种叫做被动模式锁定的技术。 

飞秒激光器的类型 
固体激光器 
被动锁模的固体激光器能发出高质量的超短脉冲激光,拥有典型的持续时间30 fs和30 ps。各种二极管抽运激光器,如基于掺钕或掺镱的增益媒介,在这种体系中,典型的平均输出功率在100 mW和1 w之间。应用先进的色散补偿的钛蓝宝石激光器甚至可适用于持续时间小于10 fs的脉冲,极限情况下可以达到约5 fs。脉冲重复率在大多数情况下为50 MHz到500 MHz,对于较大的脉冲功率,重复率会变小一些,大概几兆赫,而一些微型激光器则有几十兆赫。 

光纤激光器 
各种类型的超快光纤激光器,在大多数情况下也是被动锁模的,提供的典型脉冲持续时间在50到500 fs,重复率10到100 MHz,平均功率为几个毫瓦。大体上,拥有更高的平均功率和脉冲能量的激光器是可行的,如与展宽脉冲光纤激光器或自相似脉冲激光器,或与一个光纤放大器结合。全光纤的解决方案在大规模生产中是相当划算的,当然,所需的努力是开发出一种光纤产品,高性能和高运行可靠性应能承受各种技术挑战。 

染料激光器 
钛蓝宝石激光器出现之前,超短脉冲产生领域由染料激光器主导。染料激光器的增益带宽允许脉冲持续时间为10 fs级别,不同的激光染料适用于各种发射波长,且常在可见光谱的范围内。由于染料激光器一些处理中的缺点,飞秒染料激光器不再经常使用。 

半导体激光器 
一些锁模二极管激光器可以产生飞秒级别的脉冲。在激光器的直接输出端,脉冲持续时间通常至少几百飞秒,但利用外部脉冲压缩,可以获得持续时间更短的脉冲。 被动锁模的垂直外腔面发射激光器(VECSELs)也是可能实现的;这种类型的激光器受关注,主要是因为它可以提供一种结合的特点,短脉冲持续时间,脉冲重复率高,时而有很高的平均输出功率,但是它不适合于很高的脉冲能量。 

其他类型 
更多特别类型的飞秒激光器是色心激光器和自由电子激光器。后者可以发射飞秒脉冲甚至X-射线形式的脉冲。 

飞秒激光器的一些重要特性 
飞秒激光器的一些主要性能指标如下: 

  • 脉冲持续时间(一定情况下在特定范围内可调) 
  • 脉冲重复率(在多数情况下是固定的,或者只在很小范围内可调) 
  • 平均输出功率和脉冲能量 

还有另外一些很重要的方面: 

  • 时间带宽积(TBP)表征对于给定脉冲持续时间,光谱带宽是否大于所需带宽。脉冲品质包含额外的方面,如时间和频率上脉冲波形的细节,再如,时间或光谱的旁瓣。 
  • 一些飞秒激光器提供了一个稳定的线性偏振输出,而其它的则发射不确定的偏振状态。 
  • 不同类型和模式的飞秒激光器,其噪声特性会有很大区别。这包括噪声脉冲的时间(→定时抖动),脉冲能量(→强度噪音),以及各种类型的相位噪声。检测脉冲参数的稳定也很重要,包括对外部影响的敏感性,如机械振动或光学反馈。 
  • 一些激光器内置对应外部参考的脉冲重复率稳定设置,或用于调谐输出波长。 
  • 激光输出可以输送到到自由空间,如通过房子的玻璃窗,或通过光纤连接器。 
  • 内置监测输出功率,波长和脉冲持续时间的特性,会很方便。 
  • 其它潜在特点方面,如住房大小,电力消费,冷却需求,接口同步或计算机控制。