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超快激光器

直接二极管泵浦的钛宝石激光器系统

可使用单个廉价的4W激光二极管泵浦锁模钛宝石激光器，产生短至13fs的脉冲。

文/Sterling Backus，Henry C. Kapteyn，Matt Kirchner和Margaret M. Murnane

毫 无疑问，用于飞秒脉冲产 KMLabs 公司公文包大小的 Y-Fi 光纤 的分布来减轻。因此，所做的权衡是：
生的掺钛蓝宝石（钛宝石） 激光放大器）的脉冲，以及其他基于
1）成本和可靠性，以及 2）脉冲持续
激光增益材料的发展，已 镱（Yb）晶体的激光器。 时间与平均功率。
经改变了超快科学。超快激光脉冲需 但为什么要使用这些其他技术
要宽扩的光谱带宽，而钛宝石的增益 呢？这归结于“可调谐性和脉冲持续 直接二级管泵浦钛宝石激光器
带宽跨越从 <700nm 到 >1000nm 的近 时间” 与“成本和复杂性”之间的折衷。 随着直接二极管泵浦钛宝石
红外波段，无疑是超快增益材料方面 光纤和 Yb 激光器可以直接用二极管激 （DDPTS）激光技术的发展，现在可
的冠军。结合蓝宝石基质材料的坚固 光器泵浦，而钛宝石激光器需要绿光， 能会减少上述权衡的必要性。从本
性和高导热性能，以及与其他宽带激 通常来自 532nm 倍频 Nd ：YAG 激光 世纪开始，另一项诺贝尔奖获奖技
光介质（如染料）相比优异的储能能 器。虽然现代泵浦激光器现在是激光 术——基于氮化镓（GaN）的光电子
力，钛宝石几乎是一切的基础，从用 二极管泵浦，但成本高昂（约 $20,000 器件，使有效地产生用于泵浦的紫外
于生物显微的锁模超快速激光器，到 至≥ $100,000）。此外，这种方法的复 光、蓝光和绿光成为可能。进入本世
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能够产生拍瓦（10 W）惊人峰值功率、 杂性意味着钛宝石激光器的可靠性较 纪的第二个十年后，基于 GaN 的激
脉冲持续几个光学周期的系统。 低，需要更多的手工维护工作。 光二极管开始在 445nm 波长处，达
钛宝石激光器已经使全新的技术 第二个考虑因素是钛宝石的宽带 到了 >1W 的输出功率水平。利用这
和探索领域成为可能，例如在高阶谐 宽，需要在泵浦光和激光之间存在较 一创新，由苏格兰斯特拉斯克莱德大
波产生（HHG）中产生相干极紫外光 大的波长间隔，也就是大量的量子亏 学 （University of Strathclyde）的 Alan
（EUV）和 X 射线光的应用中，使之 损。这也意味着显著的热耗散。在 Kemp 和 Keith Roth 领导的一个研究
前需要进入同步加速器设施、或根本 Yb 掺杂的激光器（包括 Yb 光纤）中， 小组，展示了首台飞秒 DDPTS 激光
不可能的研究成为可能。在 2005 年 由于窄得多的增益带宽，量子亏损可 器。虽然最初性能不太好，但这是一
诺贝尔物理学奖中得到认可的频率梳 以降低几倍。此外，在光纤激光器中， 项突破，因为它表明此类激光器实际
技术，也是使用超快钛宝石激光进行 热耗散可以通过在较长的材料长度上 上是可行的。
首次演示的。此外，通过由钛宝石激
图1：在二极管泵浦的
光驱动的各种非线性过程，在可见光
超快钛宝石振荡器放大
区域已获得短至 3fs 的脉冲，在 EUV 器系统中，克尔透镜锁模
钛宝石振荡器用单发射体
区域已获得 60 阿秒的脉冲。 465nm二极管（3.1W）泵
然而，尽管在二十多年的时间 浦，而放大器由高功率光
纤耦合450nm二极管（高
中，钛宝石一直是超快材料方面的冠 达100W），或空间/光谱
组束的465/450nm单发射器
军，但近年来，其他技术已经取得了
（高达30W）泵浦，并被低
长足进展。例如，现在光纤激光器能 温冷却。
够产生持续时间 <100fs（包括美国

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