鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)及其應(yīng)用

黃曉園 凌東雄 王紅成 葉 海

（東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)及其應(yīng)用

黃曉園 凌東雄 王紅成 葉 海

（東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

目前最為成熟的飛秒激光系統(tǒng)是基于啁啾脈沖放大技術(shù)（CRA）的太瓦級(jí)鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)。本文以東莞理工學(xué)院光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)為例，主要介紹飛秒激光系統(tǒng)的組成和一些主流應(yīng)用，為飛秒激光系統(tǒng)的搭建與商業(yè)化提供了可參考的路線和方向。

飛秒激光；鈦寶石；啁啾放大

飛秒激光在過(guò)去30多年的發(fā)展中，大致經(jīng)過(guò)了飛秒染料激光器、飛秒固體激光器、超強(qiáng)飛秒激光器三個(gè)時(shí)代的發(fā)展。1990年之前，飛秒激光處在染料激光器時(shí)代，由于其增益介質(zhì)熒光光譜較窄，熱傳導(dǎo)性差，加上染料介質(zhì)具有毒性，限制了染料激光器向小型化和實(shí)用化發(fā)展［1-2］。

1990年之后，隨著晶體生長(zhǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展和成熟，1991年英國(guó)人D.E.Spence等人采用氬離子激光器作為泵浦源，以鈦寶石晶體（Ti：S）的克爾效應(yīng)和棱鏡對(duì)的色散補(bǔ)償原理獲得了60 fs的激光脈沖［3］。固體激光器代替染料激光器成為飛秒激光器的主要發(fā)展方向。摻鈦藍(lán)寶石以其優(yōu)異的物理性質(zhì)而受到廣泛應(yīng)用，形成現(xiàn)代飛秒固體激光器發(fā)展的主流。

由于從飛秒振蕩器輸出的單脈沖能量一般只有納焦耳（ns，10-9J）量級(jí)，峰值功率在MW（106W）量級(jí)，那么低的能量很難滿足應(yīng)用。最常用的放大技術(shù)手段為啁啾脈沖放大技術(shù)（Chirped pulse amplification，CRA）［1］。它很好的解決了放大過(guò)程中介質(zhì)損傷問(wèn)題，克服各種不利因素，放大后其能量可達(dá)毫焦甚至更高，峰值功率達(dá)到太瓦（TW，1012W）乃至拍瓦（RW，1015W）。CRA技術(shù)為超短激光產(chǎn)生高峰值功率帶來(lái)革命性的突破。

目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的是太瓦級(jí)鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)，主要包括鈦寶石飛秒激光振蕩器和基于CRA技術(shù)的飛秒激光放大器兩大部分。本文以如圖1所示東莞理工學(xué)院光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)為例，分析飛秒振蕩器、展寬器、再生放大器和壓縮器，介紹該系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景。

1 飛秒激光振蕩器

鈦寶石飛秒振蕩器是以摻鈦藍(lán)寶石為增益介質(zhì)，基于克爾透鏡鎖模機(jī)理產(chǎn)生飛秒級(jí)超短脈沖激光的裝置，其調(diào)諧范圍寬、輸出功率大、轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)方式多（連續(xù)、脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)）而成為主流的應(yīng)用。振蕩器主要由泵浦源、增益介質(zhì)和光諧振腔三個(gè)組成部分［4］。

鈦寶石晶體吸收譜帶從400 nm到600 nm，主吸收峰在488 nm，屬于藍(lán)綠光波段，因此實(shí)驗(yàn)室使用的泵浦源是Spectra-Rhysics公司的CW 532 nm激光器。在強(qiáng)光照射下增益介質(zhì)產(chǎn)生三階非線性效應(yīng)即克爾效應(yīng)（Kerr effect），是產(chǎn)生飛秒脈沖的一個(gè)關(guān)鍵響應(yīng)［5］。

自相位調(diào)制（self-phasemodulation，SRM）是克爾效應(yīng)在時(shí)域內(nèi)的表現(xiàn)，使脈沖產(chǎn)生頻率啁啾，造成脈沖光譜展寬，為鎖模激光器獲得短脈沖激光提供了可能。克爾效應(yīng)在空域內(nèi)使脈沖表現(xiàn)為自聚焦（self focusing），脈沖的中部將比邊緣經(jīng)歷更大的非線性折射率改變，使得脈沖中部的相速度比脈沖邊緣小，光束發(fā)生會(huì)聚，因此，脈沖經(jīng)過(guò)克爾介質(zhì)時(shí)象經(jīng)過(guò)一個(gè)薄透鏡。泵浦激光聚焦在增益介質(zhì)內(nèi)形成一個(gè)軟光闌，光闌使脈沖前后沿?fù)p耗較大而脈沖中部幾乎沒(méi)有損耗，這種對(duì)脈沖在時(shí)域上的壓縮稱為克爾透鏡鎖模的脈沖壓縮機(jī)制［2-4］。

飛秒振蕩器的諧振腔采用X型折疊腔設(shè)計(jì)，這樣可以使腔結(jié)構(gòu)緊湊，較線型腔簡(jiǎn)單，并且能夠提高脈沖的重復(fù)頻率。飛秒激光振蕩器內(nèi)部實(shí)物如圖2。F為聚焦透鏡，將泵浦光聚焦到鈦寶石上。透過(guò)晶體的一份泵浦光由凹面鏡M2反射進(jìn)入短臂，調(diào)節(jié)全反鏡M4和全反鏡M7使泵浦光返回。在長(zhǎng)臂端，需要用棱鏡對(duì)R1、R2進(jìn)行色散補(bǔ)償，這是因?yàn)殁亴毷w的色散對(duì)飛秒脈沖有明顯的展寬作用，對(duì)于光脈沖來(lái)說(shuō)是非常不利的，鈦寶石晶體屬于正色散介質(zhì)，所以需要引入負(fù)色散元件。激光從長(zhǎng)臂即色散端輸出，需要在輸出鏡M6后放置一個(gè)爬高鏡RM1，飛秒輸出脈沖在RM1爬高后經(jīng)過(guò)R1被拾取鏡輸出反射鏡M8反射，在端板的第二個(gè)輸出孔輸出。

在泵浦功率為4 W的情況下，我們對(duì)輸出激光特性進(jìn)行了測(cè)量。使用Spectra-Rhysics公司407 A型光功率計(jì)測(cè)得輸出功率為400 mW。由于飛秒激光的脈沖寬度很窄，無(wú)法使用傳統(tǒng)測(cè)量脈沖寬度的測(cè)量?jī)x如光電探測(cè)儀器，我們使用的是Eever-fsmeter-SSA型單次自相關(guān)儀，測(cè)量結(jié)果如圖3所示，顯示該輸出激光脈寬約為68.9 fs。實(shí)驗(yàn)中使用Ocean-optics公司光譜儀對(duì)飛秒脈沖光譜進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖4所示，激光中心波長(zhǎng)約為805 nm，半高寬約為87 nm。

2 飛秒激光放大器

Titan Wave型飛秒激光放大系統(tǒng)用啁啾脈沖放大技術(shù)對(duì)飛秒激光振蕩器的輸出脈沖進(jìn)行放大，放大器包括展寬器、再生放大器和壓縮器等幾個(gè)部分。其工作原理如圖所示5，飛秒鎖模振蕩器的飛秒種子光經(jīng)過(guò)脈沖展寬至皮秒量級(jí)，展寬后的脈沖進(jìn)入放大器后吸取增益介質(zhì)中儲(chǔ)存的能量，接著進(jìn)入壓縮器，將放大脈沖的寬度壓縮回到飛秒量級(jí)，從而獲得高能量的光脈沖輸出［6］。

2.1 展寬器

展寬器是指能將脈沖引入高色散的裝置，使得脈沖在時(shí)域上寬度增大，使其峰值功率降低到鈦寶石的損傷閾值以下，從而避免強(qiáng)脈沖對(duì)系統(tǒng)元件的損傷。實(shí)驗(yàn)中采用的是全反射型馬丁內(nèi)茲（Martinez）展寬器，簡(jiǎn)便易于調(diào)節(jié)，解決了由于輸出光譜在光柵上衍射光斑較大的問(wèn)題，雖然會(huì)產(chǎn)生像差，但是在一定程度上能夠抵消放大器中的材料色散［7-8］。

展寬器光路設(shè)計(jì)如圖6所示，振蕩器輸出的種子光首先經(jīng)過(guò)由格蘭棱鏡GR1、磁光旋轉(zhuǎn)器FR和λ/2波片W1組成的法拉第旋轉(zhuǎn)器，可有效防止回光對(duì)振蕩器的影響。隨后種子光穿過(guò)爬高鏡R2中兩鏡片之間的狹縫后，以22°的入射角入射到展寬器中光柵G1上。激光在展寬器中多次往返后由平面鏡C5導(dǎo)出，爬低并轉(zhuǎn)偏為S偏振后導(dǎo)入再生腔。該展寬器能夠提供1.6×106 fs2的二階色散量，能將30 fs的種子脈沖展寬為200 ps［8］。

2.2 再生放大器

從展寬器輸出的種子脈沖即可進(jìn)入放大器中進(jìn)行放大。CRA技術(shù)中的外注入放大可以分為再生放大與多通放大，這里采用的是再生放大方式［9］。實(shí)驗(yàn)中采用的再生放大器為線性結(jié)構(gòu)，具有很好的光束質(zhì)量、較高的放大效率和穩(wěn)定性。

再生放大器結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，主要由Empower泵源、鈦寶石晶體Ti：Sa、四片腔鏡M1-M4、格蘭棱鏡GR、普克爾盒RC、TEC制冷電路、真空室和真空泵組成。實(shí)驗(yàn)中選用的泵浦為Spectra -Rhysics公司的二極管泵浦、腔內(nèi)倍頻Nd：YLF激光器Empower。泵浦源的波長(zhǎng)為527 nm，重復(fù)頻率為1 kHz，單脈沖能量最大為20 mJ，能量穩(wěn)定性＜0.5%rms。

展寬的種子脈沖從格蘭棱鏡GR進(jìn)入再生腔中，Empower泵浦光從M4進(jìn)入。泵浦光使增益介質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)種子光信號(hào)通過(guò)增益介質(zhì)時(shí)，激發(fā)態(tài)上的粒子在種子光的作用下產(chǎn)生受輻射，種子脈沖在腔內(nèi)經(jīng)過(guò)多次往復(fù)放大而吸收了增益介質(zhì)內(nèi)儲(chǔ)存的絕大部分能量，使自己的能量達(dá)到最大值后，被普克爾盒開(kāi)關(guān)逐出腔外。

為了使放大倒空后的激光具有較好的能量穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)同步控制電路讓泵浦光和種子光具有較好的時(shí)間同步。同步控制電路如圖8所示，振蕩器80 MHz鎖模信號(hào)輸入自制的分頻電路中，分頻為1 kHz之后分別觸發(fā)泵源Empower和RC控制器，該1 kHz信號(hào)觸發(fā)Empower輸出的綠光和種子光是嚴(yán)格同步的，能夠保證在放大過(guò)程中的時(shí)序不會(huì)亂。

在泵浦源Empower最大輸出功率20 W下，再生放大后導(dǎo)出的最大能量為5.5 mJ，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換效率27.5%。光譜中心波長(zhǎng)800 nm，半高全寬35 nm，支持27 fs的傅里葉變換極限脈沖。

2.3 壓縮器

光脈沖在經(jīng)過(guò)展寬和放大后，需要進(jìn)入壓縮器進(jìn)行脈沖壓縮，對(duì)產(chǎn)生的色散進(jìn)行抵消補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖寬度的減?。?0］?；诠鈻艍嚎s原理，實(shí)驗(yàn)中采用平行光柵壓縮器，其結(jié)構(gòu)如圖所示，由光柵G2、折疊鏡C13和爬低鏡C14組成。再生放大器出來(lái)的放大光經(jīng)透鏡T6、T7擴(kuò)束準(zhǔn)直后進(jìn)入壓縮器。由于從環(huán)形再生腔輸出的放大激光是S偏振態(tài)，所以還需要由C11爬高轉(zhuǎn)偏振，再由C12反射入光柵G2，入射角度為56°，衍射后并經(jīng)C13反射后形成一長(zhǎng)條狀光斑，再經(jīng)C14爬低后，回到C13，G2以略低于入射光的高度由C15導(dǎo)出壓縮器。

我們對(duì)壓縮后的飛秒脈沖的輸出特性進(jìn)行了測(cè)量。用單次相關(guān)儀測(cè)得輸出飛秒激光最短脈寬為45 fs，支持28 fs的變換極限脈寬。光譜儀測(cè)量的光譜圖如圖11所示，光譜半高全寬33 nm，由光功率計(jì)測(cè)得的輸出功率為3.5W。

3 應(yīng)用

近二十多年來(lái)，飛秒激光朝著脈沖更短、光譜更寬、能量更高發(fā)展，直接將物理、化學(xué)、生物、材料與信息科學(xué)的研究帶入了微觀超快過(guò)程領(lǐng)域，并開(kāi)創(chuàng)了一些全新的研究領(lǐng)域，如飛秒化學(xué)、量子控制化學(xué)、半導(dǎo)體相干光譜等［11-12］。

飛秒激光最直接的應(yīng)用是把它作為光源形成多種時(shí)間分辨光譜技術(shù)和泵浦、探測(cè)技術(shù)。在東莞理工學(xué)院承擔(dān)的國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)任務(wù)“太赫茲光譜在半導(dǎo)體材料中的應(yīng)用”中，如圖12所示的鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)用作太赫茲時(shí)域光譜儀的信號(hào)源，激勵(lì)光電導(dǎo)產(chǎn)生太赫茲信號(hào)，為太赫茲光譜和成像技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

微精細(xì)加工也是飛秒激光的另外一個(gè)重要應(yīng)用。飛秒激光主要依靠多光子吸收機(jī)制來(lái)加工一些長(zhǎng)脈沖激光無(wú)法作用的透明材料，具有作用時(shí)間極短，熱效應(yīng)小的特點(diǎn)，可以克服等離子體屏蔽現(xiàn)象［13］。

飛秒激光與長(zhǎng)脈沖激光打孔加工實(shí)例比較，見(jiàn)圖13。圖13（a）為3.3 ns，120μJ長(zhǎng)脈沖對(duì)材料進(jìn)行打孔后的效果圖，由于對(duì)激光能量的強(qiáng)烈吸收，大量激光能量在物質(zhì)中沉積，形成局部加熱并導(dǎo)致光損傷。圖13（b）為200 fs脈沖對(duì)材料進(jìn)行打孔的效果圖，和長(zhǎng)脈沖相比，飛秒激光加工的邊緣較為光滑、清潔。

飛秒激光可以對(duì)半導(dǎo)體、透明材料內(nèi)部甚至生物組織等進(jìn)行微加工和雕刻。目前，飛秒激光微加工以其更高的加工精度和更小的加工尺寸為激光加工業(yè)開(kāi)拓了更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

飛秒化學(xué)反應(yīng)、飛秒相干動(dòng)力學(xué)的發(fā)展使得人們可以在超快飛秒時(shí)間尺度上實(shí)時(shí)觀察分子運(yùn)動(dòng)并目擊分子的誕生［14］。飛秒相干光譜學(xué)將成為光電子器件及單電子光電子器件的最主要研究工具，海量信息科學(xué)也將由此產(chǎn)生巨大的變化。

飛秒激光在醫(yī)學(xué)精細(xì)手術(shù)、生物醫(yī)學(xué)以及納米醫(yī)學(xué)上有廣闊的應(yīng)用前景。飛秒激光原位磨鑲術(shù)（LASIK）不僅使眼角膜手術(shù)真正離開(kāi)了手術(shù)刀，真正實(shí)現(xiàn)了“全程無(wú)刀手術(shù)”。飛秒激光還可以對(duì)單個(gè)細(xì)胞動(dòng)精密手術(shù)，并可用于基因療法。

4 結(jié)語(yǔ)

基于CRA技術(shù)的鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為成熟最為廣泛的飛秒激光源，主要由飛秒振蕩器、展寬器、再生放大器和壓縮器等幾個(gè)部分組成。飛秒振蕩器的輸出功率一般在幾個(gè)到幾百毫瓦之間，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量一般在皮焦到焦耳量級(jí)之間，如此低的能量很難滿足許多領(lǐng)域的應(yīng)用，因此需要對(duì)輸出的飛秒脈沖進(jìn)行放大。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，更短脈沖和更高能量必將成為現(xiàn)實(shí)并在物理、化學(xué)、天文、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

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The Femtose cond Laser System and Its Applications

HUANG Xiao-yuan LING Dong-xiong WANG Hong-cheng YE Hai
（College of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

Currently themostmature femtosecond laser system is terawatt（TW）Ti：Sapphire（Ti：S）femtosecond laser system based on chirped pulse amplification（CRA）.Taking the Ti：S femtosecond laser system in the optoelectronic technology laboratory of Dongguan University of Technology as an example，this papermainly introduces the construction and somemainstream applications of the femtosecond laser system，and provides the referable route and direction to build a femtosecond laser system and commercialization.

femtosecond laser；Ti：Sapphire；CRA（Chirped pulse amplification）

TN248.1；TN249

：A

：1009-0312（2014）05-0013-07

2014-05-19

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)（2012YQ14000511）。

黃曉園（1990—），男，廣東梅州人，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)、光電子學(xué)與激光技術(shù)研究。