飞秒光纤激光器的发展.doc

激光技术与应用 Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 飞秒光纤激光器的发展 及其工业应用 ●王玉英  １  引  言  的较宽增益带宽和优异的热特性 ， 是一种产生和放大 超短脉冲的理想晶体。ＴｉＳＡＦ 为多光子显微镜的实用 自超短脉冲光学问世以来 ， 已经历了约 ２５ 年的 发展历程 ， 飞秒激光器现已在工业加工中得到应用。 飞秒光纤激光器利用支撑光通信发展的光纤技 术实现了集成化 ， 使超小型激光器达到了高可靠性。 最新研制的系统巧妙地利用光纤中的非线性现象 ， 使 其脉冲能量接近以往利用再生放大和盘形激光技术 的固体激光器的能量。这种飞秒脉冲光纤激光器有望 应用于超微细加工领域。目前 ， 光纤单模传输技术的 开发已取得进展 ， 更高能量、更高功率的光纤激光器 不久将展现在人们的面前。 化和超高速泵浦探测分光光谱的实现做出了贡献。 ２１ 世纪初 ， ＴｉＳＡＦ 飞秒脉冲的产生首次得到了验证。 ＴｉＳＡＦ 激光器在物理学和化学的科学研究中已 取得了一些重要成果 ， 但飞秒技术要在工业中得到应 用尚存在诸多问题 ， 如能量效率低 ， 光学零件体积大 ， 稳定性和可靠性差等问题。近年来 ， 虽试制成功了掺 Ｙｂ 晶体的棒状或盘形激光器 ， 但仍存在着结构复杂、 稳定性和可靠性差等问题。 与此相反 ， 光纤激光器具有小型和高可靠性能等 特点 ， 其基本特性非常适于工业应用。自 １９９３ 年起 ，  ２  飞秒激光器的历史 科研人员开始研发飞秒光纤激光器。 下面分别针对提高振荡器的稳定性和光纤放大 超短脉冲激光技术的诞生可追溯到 １９８０ 年由 Ｆｏｒｋ 验证的锁模染料激光器。这项技术使研究人员 器的高功率化以及高能量化等内容 ， 叙述飞秒光纤激 光器的发展。 获得了 １００ ｆｓ 的超短脉冲激光光源 ， 从此促进了世界 性超短脉冲光学研究事业的蓬勃发展。超连续光源和  ３  提高振荡器的稳定性 多光子显微镜等的发明 ， 以及超高速泵浦探测分光光 谱的实现均基于锁模染料激光器。 由于染料激光器存在着脉冲能量有限、结构复杂 所带来的不稳定性等问题 ， 因此这种超短脉冲光学新 技术很难得到广泛应用。锁模钛宝石 （ ＴｉＳＡＦ）激光器 的问世解决了上述问题。ＴｉＳＡＦ 具有 ６００￣１ ０００ ｎｍ １９９０ 年 ， Ｆｅｒｍａｎｎ 等人首次验证了飞秒锁模振荡 器 ， 此后又提出了若干种方式的振荡器。为保持激光 器的偏振面 ， 这些振荡器需要用机械方式旋转偏振面 的叶片。此外 ， 温度等外部环境干扰也会影响锁模振 荡。为解决上述问题 ， 科研人员在法布里－ 珀罗谐振 腔的两端设置了法拉第转子 ， 对偏振旋转进行共轭补 ｗｗｗ．ｌａｓｅｒ ｂｔｂ．ｃｏｍ Ｆｅｂ． ２００６  ２９ 激光技术与应用 Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  偿 ， 并研制出 ＦｅｍｔｏｌｉｔｅＴＭ 产品。该产品作为实验室研 究用工具得到了广泛应用 ， 同时作为光源安装在超高 速光采样示波器和 ＴＨｚ 光谱分析仪上 ， 这为飞秒激  ５  光纤多级啁啾脉冲放大（ ＦＣＰ Ａ） 的 高能量化 光器在工业中的应用开辟了道路。 近年来 ， 保偏 （ ＰＭ） 光纤、波分复用 （ ＷＤＭ） 、隔离 器等作为保偏光纤器件得到了普及。科研人员先后 开发了结构更为简单的振荡器和放大器 ， 并研制出新 型 Ｆｅｍｔｏｌｉｔｅ 产品 ， 这是一种将传统产品进一步小型 化且可靠性更高的新型产品。基波 １ ５６０ ｎｍ 产品的 输出功率为 ６０ ｍＷ； 双倍波 ７８０ ｎｍ 产品的输出功率 为 ２０ ｍＷ， 脉宽为 １００ ｆｓ。这种新型产品的出现使机 械安装变得更加容易 ， 有望在迅速发展的 ＴＨｚ 领域 中起到通用型光引擎的作用。 ５．１ 啁啾放大技术 与固体激光器相比 ， 光纤激光器的缺点是脉冲 能量低。对飞秒光纤激光器高能量化的尝试是基于 ＦＣＰＡ 技术 ， 即在固体激光放大中应用了广为人知的 啁啾脉冲放大技术 ， 图 ２ 给出了 ＦＣＰＡ 的初期结构 图。由图可知 ， 脉冲能量大幅提高。随着脉冲能量的 增大 ， 由光纤非线性引起的相位滞后限制了脉冲的 再压缩性。因此 ， 初期 ＦＣＰＡ 可压缩最大脉冲能量至 小于 １００ ｎＪ。目前 ， 该结构仍是光纤激光器高能量化 的基本结构 ， 并发挥着重要作用。  ４  高功率化  连续波激光器的实际使用效果得到了人们的广 泛认可 ， 而光纤激光器具有不易产生热透镜效应和由 热引起的增益饱和的特点。实际上 ， 对高功率化而言 ， 最重要的因素是泵浦耦合技术 ， 双包层光纤的出现对 功率的提高有很大的影响。虽然不能把飞秒光纤激 光器