超快固體雷射器

超快雷射是固體雷射器發展的一個新的領域。超快的飛秒雷射最早出現在上世紀70年代初。寬頻欽藍寶石雷射晶體的出現,促進了上世紀90年代飛秒雷射的飛速發展。至今飛秒雷射的脈寬可以小於4fs,非常接近單個光波振盪周期。

基本介紹

• 中文名：超快固體雷射器
• 外文名：Ultrafast solid-state laser

1超快脈衝

超快脈衝(脈寬為10_12-10.155)具有極短持續時間,極高峰值功率、極寬光譜等特點,在工業、軍事、環境、能源、通訊等眾多領域得到了廣泛套用。極短的脈衝讓人類第一次觀察到了原子和分子尺度的超快運動過程,為探索微觀世界開闢了道路。極高的峰值功率可以產生極端的物理條件,使模擬宇宙大爆炸、太陽中心溫度、核爆等極端現象成為可能。超快雷射作用時間極短、熱影響區極小,套用在醫療上可以在治療或切除病變組織的同時保證周圍正常組織不受到損傷。而且寬頻可調諧的超快雷射器可以方便的選擇波長,適應不同病變組織的治療要求。特別是套用在眼科治療,與傳統手術治療相比,大大降低了風險性。超快雷射給其他相關科學領域也帶來了一場革命,產生了強場物理學、超快非線性光學、精密計量學、超精細冷加工等一系列新興前沿學科和技術。迄今為止,在超快雷射技術有關的科研領域已經產生了兩項諾貝爾獎。美國加州理工學院澤維爾教授(Ahmed H. Zewail)在80年代末用飛秒雷射成功拍攝下了化學反應的圖像,用於研究化學反應中的超快過程,並因此獲得了 1999年諾貝爾化學獎。這項工作同時也開闢了一門新的學科——飛秒化學。美國科羅拉多大學教授霍爾和德國慕尼黑大學教授漢施利用超快雷射實現了光學頻率梳,其測量精度比微波原子鐘要高100倍。他們因對雷射精密光譜學的貢獻而與量子光學之父格勞伯(Rey. J.Glauber)共同獲得了 2005年諾貝爾物理學獎。可見,超快雷射的研究對科學和社會發展具有重要價值和深遠意義,己經是當前科學研究的重點之一。

2超快固體雷射器概述

超快雷射是固體雷射器發展的一個新的領域。超快的飛秒雷射最早出現在上世紀70年代初。寬頻欽藍寶石雷射晶體的出現,促進了上世紀90年代飛秒雷射的飛速發展。至今飛秒雷射的脈寬可以小於4fs,非常接近單個光波振盪周期。另一方面,雷射脈衝的峰值功率已經可以超過拍瓦(lPw=10w),雷射聚焦光強超過10W/cm。超快雷射是通過雷射鎖模得到的,超快雷射的發展與鎖模技術息息相關。

鎖模技術介紹

在自由運轉的雷射器中,雷射器中的縱模和橫模同時振盪,模式之間無固定的位相關係,輸出的雷射是按時間平均的統計平均值。若將雷射振盪限制在TEM₀₀模,在典型的雷射器中,可能有成百上千個軸向縱模能在雷射器中振盪。如果迫使振盪的縱模彼此維持固定的位相關係,則雷射器將輸出一個規則的脈衝,這種雷射器稱為鎖模雷射器。根據調製方式的不同,鎖模可以分為:

主動鎖模

將一個驅動頻率恰為縱模頻率間距的相位調製器(FM)或振幅調製器(AM)裝入雷射腔中,就能夠使雷射器產生脈衝重複率為fm=c/2L的鎖模脈衝序列,這種鎖模方式稱為主動鎖模。對於Nd:YAG系統的連續泵浦雷射器的主動鎖模,是將電光或聲光調製器插入其諧振腔實現的。連續主動鎖模雷射器能產生相等的脈衝序列,其典型重複率通常為80-250MHz,脈衝能量在納焦耳量級。主動鎖模根據調製器的調製方式,又可分為調幅和調頻兩種方式。調幅方式是周期性的在腔內加入一個損耗調製,從而在調製損耗為零的點會產生一個窄的鎖模脈衝。而調頻方式是在腔內引入一個周期性變化的位相,只有在位相調製截在極值時,不會引起頻移。而在其它時間,都會有一個都卜勒頻移dδ/dt,當光多次通過後積累的都卜勒頻移會使雷射頻率移到增益頻寬之外,從而不能振盪。所以會在位相調製δt的極值時產生一個窄的脈衝。

被動鎖模

在雷射器中加入一個可飽和吸收體,這種可飽和吸收體的性質是:當光強增大時,腔內損耗卻降低,這種鎖模方式稱為被動鎖模。早期的可飽和吸收體是液體染料,因為這種染料的穩定性很差,後來被淘汰。現在,用得最多的可飽和吸收體是一種半導體可飽和吸收鏡(sEsAM)。它的基本結構由一個AIAs-AIGaAs布拉格反射鏡和一個作為可飽和吸收體的GaAs單量子阱構成。GaAs單量子阱在脈衝持續期間,產生的載流子的數目增加,引起吸收漂白。利用SESAM鎖模非常簡單,此鏡實質上只是取代了諧振腔的一個端鏡。

同步泵浦鎖模

用一台鎖模雷射器的脈衝序列泵浦另一台雷射器,通過調製腔內增益的方法獲得鎖模,這種鎖模方式叫同步泵浦鎖模。被泵浦雷射器腔長必須與泵浦雷射器相同或是它的整數倍。同步泵浦鎖模一般用於染料雷射器中,因為染料上能級弛豫時間大於泵浦寬度,小於光在腔內的循環周期,所以易於得到鎖模。

克爾透鏡鎖模

光克爾效應產生的自聚焦效應將高斯光束輻射聚焦到中心,如果在諧振腔中隨著強度增大而模尺寸減少的位置處插入一個光闌,就能獲得快速的可飽和吸收體的作用。顯然,光闌對強光束的透射要比低功率光束的高,這種在雷射器中產生超短脈衝的極其簡單的技術稱為克爾透鏡鎖模(KLM)。由於克爾透鏡鎖模利用了自身產生的快速可飽和吸收的效應,所以通常也歸類到被動鎖模。在克爾透鏡鎖模的雷射器中,還有一種是利用雷射晶體本身產生的增益光闌的作用而鎖模,由於這種鎖模雷射器中沒有添加任何的被動或主動鎖模器件,因此,這種雷射器也稱為自鎖模雷射器。自鎖模現象主要在Ti:SaPphire雷射器中看到。克爾透鏡鎖模利用了雷射晶體的非線性效應,而克爾非線性產生的自相位調製(SPM)有展寬脈衝光譜的作用,所以克爾透鏡鎖模通常能產生很窄的脈衝。目前,可以直接從克爾透鏡鎖模的Ti:saPphire雷射器中產生低於10fs的脈衝。

3超快雷射器研究進展

從染料鎖模雷射器到鐵寶石鎖模雷射器

鎖模現象首先是在固體雷射器中觀察到的。1966年,De Maria等用染料作為可飽和吸收體在Nd:Glass雷射器中實現了被動鎖模脈衝輸出。1981年R.L.Fork在染料雷射器中利用碰撞鎖模(CPM)的方法得到了低於O.lps的脈寬,第一次使雷射脈衝縮短到了飛秒尺度。1985年,R.L. Fork又通過進一步補償色散得到了 27fs的脈衝。1987年,他們用光纖的自相位調製效應將飛秒雷射展寬,再利用光柵對和稜鏡對的結合將染料雷射脈衝壓縮到6fs。但是染料雷射器有壽命短、有毒性、結構複雜等缺點,限制了其實際套用。相比之下,固體雷射器被認為是比較理想的超快脈衝源。80年代初,鈦寶石這種性能優異的晶體材料的出現極大地推動了鎖模雷射器的發展。1989年,J.Goodberlet等人用稱合腔鎖模的方法在鈦寶石雷射器中得到了 200fs的脈衝。1990年,K. Naganuma等人在鈦寶石碰撞鎖模雷射器得到了 50fs的脈衝[6]。同期人們也利用聲光鎖模、被動鎖模等技術實現了皮秒量級的脈衝輸出。

1991年英國D. E. Spence首次報導了利用鈦寶石自身的克爾效應實現自鎖模運轉,經過稜鏡對補償色散後得到了 60fs的雷射脈衝。克爾效應是鎖模發展歷史上一個重要的發現,它的回響時間小於lOfs,這為充分利用鈦寶石的寬增益頻寬帶來了希望。隨後的幾年間,鈦寶石鎖模雷射器得到了迅速發展。1997年,M. Nisoli用注入氪氣的光纖產生自相位調製展寬雷射光譜,並用稜鏡對補償色散後,成功實現了 4.5fs的脈衝輸出。2001年,R. Ell等人在雷射器中插入玻璃片,同樣利用介質自相位調製展寬了光譜,鎖模後得到5fs的脈衝。雖然鐵寶石雷射器具有眾多優點,但同時也有一些難以克服的缺點。鈦寶石的吸收帶集中在400-600nm,需要用氣離子雷射器或者綠光固體雷射器作為激勵源,導致雷射器的體積較大,總體效率不高,價格昂貴。這些問題激勵著人們尋找和研究其他高性能的雷射材料。

SESAM鎖模的摻Nd3+、Yb3+全固態雷射器

隨著二極體雷射器(LD)製造技術的成熟,輸出功率的提高和價格的大幅降低,LD栗浦的摻Nd3+或Yb3+雷射器得到了越來越多的重視。相對於傳統的閃光燈泵浦的雷射器,LD粟浦雷射器具有效率高,壽命長,成本低、小型化、集成化等眾多優點。另外,閃光燈是脈衝光源,對於每個菜浦脈衝鎖模運轉都需要重新建立,導致鎖模脈衝輸出重複性和穩定性較差。相比之下,LD可以長時間連續運轉,是較理想的鎖模雷射栗浦源。雖然菜浦源不再是讓人困擾的問題,並且人們早在六七十年代就開始了摻Nd3+和Yb3+雷射晶體的探索[U3],但是直到90年代初對這兩類雷射材料被動鎖模雷射的研究仍沒有太多進展。這主要是因為摻Nd和Yb材料的上能級壽命一般較長(>10(Vs),產生的增益視窗太長,所積累的大量反轉粒子容易導致不穩定的調Q鎖模(Q-switched mode-locking,QML)運轉,這樣就要求所用的可飽和吸收體要具有極短的弛豫時間,但當時的可飽和吸收體性能還不理想,從而難以實現純淨、穩定的連續鎖模(continuous-wave mode-locking, CWML)。90 年代初,半導體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirrior, SESAM)的發明終於使這個困擾人們的問題得到了比較好解決。1991年,U. Keller在布拉格反射鏡上外延生長GaAs半導體可飽和吸收體,製備成SESAM,並套用在欽寶石雷射器上得到2ps脈衝。這種將半導體可飽和吸收體和布拉格反射鏡結合的SESAM結構可以精確控制損耗、飽和通量、調製深度等參數,實現針對不同雷射系統的最佳化,而且作為一個鎖模啟動和穩定元件套用在鎖模雷射器中,克服了克爾鎖模自身難以啟動的缺點,降低了鎖模雷射器的設計難度和對雷射材料性能的要求,大大提高了系統穩定性。它的發明標誌著超快固體雷射進入了一個新的發展階段。此後,半導體材料生長技術和能帶工程的快速發展使人們能夠調節飽和吸收體的工作波段、她豫時間等參數,使SESAM的材料和設計得到了最佳化和改進,並在各種鎖模雷射器成功抑制了調Q不穩定性,實現了穩定的連續鎖模。

Nd3+離子的多重能級可以產生多重發射帶,其中發射截面最大的是0.9^ml、l.0nm和1.3nm這三個波段。它們在科研、醫療、工業、軍事等方面都有重要意義。當前對摻Nd3+材料在1.0nm波段的SESAM被動鎖模研究已經非常廣泛,並取得了很多成果。1992年,U. Keller利用可飽和吸收體為InGaAs/GaAs的SESAM實現了 Nd:YLF被動連續鎖模,脈寬3.3ps。隨後又在1993年,用Nd:YLF和Nd:YAG雷射晶體分別得到2.8ps和7ps的脈衝。1995年,D. Kopf首次報導了 Nd:glass的飛秒雷射器。與晶體不同,玻璃基質的原子排列是完全無序的,因此非均勻展寬效應使發射光譜線寬達到~40nm,可以支持百飛秒以下的脈衝。D. Kopf用SESAM鎖模Nd:glass雷射器最後得到了 60fs脈衝。A. Agnesi等人在2009年在SESAM鎖模的Nd:glass雷射器中補償色散後得到了 173fs脈衝,隨後在2010年將脈衝又壓縮到80fs。國內科研工作者也做了很多研究工作。2002年,台灣S. W. Tai等人報導23W高平均輸出功率的NchYVCU鎖模雷射器,脈寬21.5ps,光光轉換效率達47%。2004年,何京良等人用半導體製備的SESAM在Nd:GdYV04雷射器中獲得3.8ps脈衝。2005年,樊亞仙等人用部分透視式SESAM實現Nd:YV04的被動鎖模,脈寬2ps。2009年,謝國強等人在Nd:CLNGG鎖模雷射器中經補償色散獲得900fs脈衝;在2008年,他用無序晶體Nd:CNGG又得到5ps脈衝,而且發現鎖模運轉在1059.35nm和1061.71nm —間隔為0.36THz —的兩個波長,自相關曲線表現為660fs脈寬的準周期拍頻,證明這兩個波長的脈衝同時產生並且重合。由於脈衝能量大,峰值功率高,這類同時輸出多波長的鎖模雷射可以直接用來差頻產生太赫茲波。2011年,叢振華等人實現了 Nd:LYSO的多波長鎖模,並研究了兩個輸出波長相對強度與自相關波形的關係。本文作者用Nd:CLTGG無序晶體也實現了雙波長的間歇和同時鎖模,波長位於1059nrn和1061nrn,雙波長同時鎖模時平均功率383mW,脈寬3.5ps。此外,人們用Nd:CTGG、Nd:LGGG、Nd:GAGG等無序晶體也實現了多波長鎖模,這些研究為太赫茲產生提供了可能的有效光源。

對於Nd3+材料在波段的連續鎖模研究相對較少,但近幾年發展也非常迅速。1996年,R.Fluck將SESAM套用在Nd:YLF和NdYV04雷射器上,第一次獲得了 1.3nm的連續鎖模脈衝,脈寬為5.7ps和4.6ps。2004年,V. Liverini等人製備了基於GalnNAs可飽和吸收體的SESAM,在Nd:YLF鎖模雷射器獲得6.7ps的脈衝。2005年,G. J. SpUhler用緊湊的三鏡腔獲得Nd:YV04的鎖模運轉,重複頻率lOGHz,功率40mW,脈寬7.3ps。2012年,本文作者實現了 Nd:GdV04在L34nm的連續鎖模,測得脈寬為3.3ps,平均功率2.2W,這是迄今使用摻Nd材料在1.3nm波段得到的最短脈寬。