GHz重復(fù)頻率固體飛秒激光技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用前景

陳相淼，武騰飛

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

超快光學(xué)作為一門(mén)比較前沿的光學(xué)分支，在近幾十年中獲得了較快發(fā)展。20世紀(jì)七十年代，F(xiàn).J.Mcclung等人利用調(diào)Q的方法得到了ns量級(jí)的脈沖激光［1］，K.Gürs，R.Müller等人提出了鎖模技術(shù)［2］。1985年，D.Strick等人提出啁啾脈沖放大技術(shù)［3］，2001年，M.Hentschel等人利用飛秒激光作用于惰性氣體產(chǎn)生高次諧波，獲得了脈沖寬度為650 as的激光脈沖［4］。超快激光器作為推動(dòng)超快光學(xué)發(fā)展的核心，得到了重點(diǎn)關(guān)注與研究。相較目前以實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用為主的阿秒激光器［5］，飛秒激光器更為成熟，應(yīng)用范圍更廣泛，更加接近替代市場(chǎng)上主要銷(xiāo)售的ns，ps激光器，在激光加工［6］、激 光測(cè) 距［7］、生 物 成像［8］、光譜 測(cè) 量［9］、光 通信［10］等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

吉赫茲（GHz）飛秒激光器相較一般的千赫茲（kHz）、兆赫茲（MHz）飛秒激光器具有更為突出的性能特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，具有更高的效率以及精度。本文首先介紹了固體飛秒激光器產(chǎn)生GHz脈沖方法的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況，之后介紹了飛秒激光常用的應(yīng)用場(chǎng)景，分析并探討了GHz飛秒激光器獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最后對(duì)GHz固體飛秒激光技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 GHz固體飛秒激光器的發(fā)展情況

根據(jù)增益介質(zhì)的種類(lèi)不同，激光器可分為氣體激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器和固體激光器。氣體激光器和染料激光器由于體積大、壽命短、不穩(wěn)定、安全性較低等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐漸退出了主流的研究方向。半導(dǎo)體激光器雖然集成化程度高，可以實(shí)現(xiàn)小型化，但是由于半導(dǎo)體激光器利用高濃度載流子發(fā)光，其輸出光容易受到電流波動(dòng)和溫度的影響，光束質(zhì)量相對(duì)較差。相較而言，固體激光器有著體積較小、壽命長(zhǎng)、光束質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。固體激光器可分為使用晶體介質(zhì)的固態(tài)激光器和使用光纖介質(zhì)的光纖激光器。

1.1 GHz全固態(tài)激光器的發(fā)展情況

全固態(tài)激光器最為常用的飛秒脈沖產(chǎn)生技術(shù)有基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）的被動(dòng)鎖模技術(shù)和克爾透鏡（KLM）鎖模技術(shù)。

1.1.1 SESAM鎖模技術(shù)

SESAM由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院U.Keller發(fā)明，并于1992年首次使用它在全固態(tài)振蕩器中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的被動(dòng)鎖模［11］?；诠馊肷涞娇娠柡臀阵w的光強(qiáng)增加而吸收降低的吸收漂白效應(yīng)，將半導(dǎo)體可飽和吸收體與反射鏡集成起來(lái)，就得到了隨著入射光強(qiáng)提高，反射率增大的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）。在激光鎖模的過(guò)程中，SESAM對(duì)諧振腔內(nèi)的激光進(jìn)行了振幅調(diào)制，入射強(qiáng)度較低的光會(huì)產(chǎn)生較大損耗，而入射強(qiáng)度較高的光則幾乎無(wú)損地被反射，使得激光整體在諧振腔中循環(huán)時(shí)，光強(qiáng)較高的光不斷增強(qiáng)，直到射出振蕩器，而光強(qiáng)較弱的光在循環(huán)中不斷變?nèi)?，最后被損耗掉，以此形成超短脈沖。但是由于增益介質(zhì)的發(fā)射帶寬和諧振腔內(nèi)震蕩補(bǔ)償問(wèn)題，在SESAM鎖模技術(shù)提出的前十幾年，得到的激光脈沖均為皮秒量級(jí)。2010年，日本富士膠片公司的S.Yamazoe等人報(bào)道了通過(guò)SESAM被動(dòng)鎖模技術(shù)使用Yb+3：KY（WO4）2得到中心波長(zhǎng)為1045 nm，平均功率為680 mw，單脈沖峰值功率為1.5 kW，重復(fù)頻率為2.8 GHz的飛秒脈沖［12］。同年瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院U.Keller課題組的Selina Pekarek等人通過(guò)錐形分布式布拉格二極管激光器泵浦Yb：KGW晶體得到了平均功率1.1 W，脈沖寬度為281 fs的孤子脈沖，并通過(guò)增加泵浦功率，觀察到了2，3，4 GHz的諧波鎖模狀態(tài)［13］。2012年，Selina Pekarek等人又在之前工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)泵浦Yb：KGW晶體，得到了重復(fù)頻率為4.8 GHz，脈沖寬度為396 fs，平均功率1.9 W，峰值功率0.9 kW的飛秒脈沖［14］。2014年，U.Keller課題組換用另一種摻鐿晶體Yb：CALGO得到了脈沖寬度小于60 fs，重復(fù)頻率1.8 GHz，平均功率為2.95 W的飛秒脈沖［15］。同年，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的Hee-Won Yang等人，基于可飽和吸收鏡的原理，制造了一種碳納米管可飽和吸收鏡，并通過(guò)泵浦Yb：KYW晶體，得到了重復(fù)頻率1.2 GHz，脈沖寬度168 fs，中心波長(zhǎng)1047 nm的飛秒脈沖輸出［16］。2017年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院U.Keller團(tuán)隊(duì)的的A.S.Mayer等人報(bào)道了通過(guò)泵浦Yn：CaGdAlO4晶體，獲得重復(fù)頻率10.6 GHz，平均輸出功率1.2 W，脈沖寬度166 fs的飛秒脈沖，自此將SESAM鎖模技術(shù)可獲得的飛秒脈沖重復(fù)頻率提高到了10 GHz量級(jí)［17］。2021年，同一課題組的Ajan Barh等人基于SESAM被 動(dòng) 鎖 模，通 過(guò) 使 用InGaSb/GaSb的SESAM和泵浦Cr2+摻雜的ZnS晶體得到了脈沖寬度為155 fs，中心波長(zhǎng)為2380 nm，平均功率0.8 W的中紅外GHz全固態(tài)激光器［18］。Ajan Barh等人的工作，拓展了SESAM被動(dòng)鎖模技術(shù)在GHz中紅外激光器中的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的課題組在GHz固態(tài)激光器方面的研究還有所欠缺，已有的研究多集中于GHz飛秒光纖激光器。

1.1.2 KLM鎖模技術(shù)

KLM鎖模技術(shù)在1990年由D.E.Spence等人發(fā)現(xiàn)，由于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中沒(méi)有任何控制鎖模的器件，就能實(shí)現(xiàn)自主鎖模［19］，所以一開(kāi)始又被稱為自鎖模。后來(lái)研究人員發(fā)現(xiàn)鈦寶石晶體能夠發(fā)生克爾效應(yīng)，并且由此產(chǎn)生類(lèi)似透鏡的非線性效應(yīng)，因此這種鎖模方式被命名為克爾透鏡鎖模。光克爾效應(yīng)的原理是各向同性的介質(zhì)，在強(qiáng)光照射的條件下，會(huì)表現(xiàn)出雙折射的特性，具體可表示為

式中：為克爾介質(zhì)的折射率；nx，y為介質(zhì)的線性折射率；n2為介質(zhì)的非線性折射率系數(shù)；I(t，r)為通過(guò)介質(zhì)的廣場(chǎng)強(qiáng)度，與時(shí)間t和空間r有關(guān)。

由于一般激光的能量分布多為高斯分布，根據(jù)式（1），光束中心和邊緣在經(jīng)過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的色散，從而發(fā)生自聚焦效應(yīng)，產(chǎn)生脈沖寬度較窄的超短脈沖。

2001年，卡爾斯魯厄大學(xué)的R.Ell等人利用KLM鎖模的鈦寶石激光器獲得了脈沖寬度為5 fs，重復(fù)頻率65 MHz，平均功率為120 mW，光譜范圍覆蓋600～1200 nm的飛秒脈沖［20］，其在之后的數(shù)年中都是飛秒脈沖寬度的世界紀(jì)錄保持者。2009年，華沙大學(xué)的P.Wasylczyk等人利用Yb：KWY晶體首先獲得了重復(fù)頻率1.0138 GHz，脈沖寬度200 fs，中心波長(zhǎng)1047 nm的飛秒激光脈沖［21］，由此開(kāi)啟了基于克爾透鏡鎖模的全固態(tài)飛秒激光器的GHz時(shí)代。因?yàn)镵LM鎖模的腔內(nèi)結(jié)構(gòu)較少，且克爾效應(yīng)只有在光強(qiáng)滿足一定條件時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)于諧振腔內(nèi)的條件要求較高。2012年，日本東京大學(xué)的Mamoru Endo等人將反射鏡鍍膜以提高諧振腔內(nèi)的功率，使得腔內(nèi)功率滿足通過(guò)克爾效應(yīng)產(chǎn)生高重復(fù)頻率脈沖的功率要求，通過(guò)750 mW的泵浦功率得到了重復(fù)頻率為3.3 GHz，輸出功率13.5 mW，脈沖寬度150 fs的飛秒脈沖［22］。同年Mamoru Endo團(tuán)隊(duì)基于之前的工作得到了重復(fù)頻率4.6 GHz，輸出功率為14.6 mW，中心波長(zhǎng)為1046 nm，脈沖寬度146 fs的飛秒脈沖［23］，并記錄了實(shí)驗(yàn)中不同泵浦功率下，輸出脈沖的鎖模狀態(tài)和輸出功率。同年，芬蘭赫爾辛基大學(xué)的Markku Vainio等人利用克爾透鏡鎖模，泵浦鈦藍(lán)寶石，得到了重復(fù)頻率1 GHz，中心波長(zhǎng)1.6μm，頻譜范圍85 nm，長(zhǎng)期運(yùn)行的平均輸出功率大于100 mW的飛秒光學(xué)參量振蕩器［24］。2013年，Mamoru Endo團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)克爾透鏡鎖模Yb：Lu2O3陶瓷激光器，得到了5.2 GHz的鎖模脈沖，并通過(guò)自制的大型透射光柵開(kāi)發(fā)了一臺(tái)高分辨力光譜儀，清晰地觀察到了鎖模脈沖頻譜上每個(gè)縱模所對(duì)應(yīng)的梳齒［25］。2015年，Mamoru Endo團(tuán)隊(duì)又在之前工作的基礎(chǔ)上，得到了重復(fù)頻率15 GHz，脈沖寬度152 fs的脈沖輸出，在泵浦功率為1.1 W時(shí)，最大輸出功率可達(dá)60 mW［26］。2016年，伯明翰大學(xué)的Sergey Vasilyev等人利用KLM鎖模技術(shù)，通過(guò)摻鉺激光器泵浦Cr：ZnS晶體，得到了重復(fù)頻率最高1.2 GHz，脈沖寬度50 fs，中心波長(zhǎng)為2.4 μm的中紅外飛秒脈沖輸出［27］，并在1 GHz時(shí)獲得了1.2 W的輸出功率。2019年，東京大學(xué)的Shota Kimura等人改進(jìn)了常用的四器件8字形諧振腔，通過(guò)一種新的三器件腔體結(jié)構(gòu)（如圖1所示），得到了最高達(dá)到23.8 GHz的飛秒脈沖輸出［28］，這種新的腔體結(jié)構(gòu)突破了由于光學(xué)元件尺寸和腔體優(yōu)化精度限制而使四器件諧振腔無(wú)法獲得20 GHz重復(fù)頻率輸出脈沖的瓶頸。但是受限于腔內(nèi)器件的尺寸問(wèn)題，全固態(tài)激光器的重復(fù)頻率至此到達(dá)了一個(gè)新的瓶頸，很難進(jìn)一步提高。

圖1 兩種諧振腔示意圖[28]Fig.1 Schematic diagram of two resonators[28]

國(guó)內(nèi)關(guān)于KLM鎖模技術(shù)最早的報(bào)道是2009年中科院物理所的張青等人使用532 nm的激光泵浦鈦寶石，獲得了重復(fù)頻率1.1 GHz，輸出功率為30 mW，脈沖寬度小于10 fs，光譜范圍覆蓋670～920 nm的脈沖輸出［29］。2021年，西安電子科技大學(xué)的鄭立等人通過(guò)光纖激光器泵浦Yb：KGW晶體，獲得了2 GHz的激光脈沖，在平均輸出功率為1.7 W的情況下，脈沖寬度為145 fs［30］，這是至今為止，利用KLM鎖模GHz重復(fù)頻率全固態(tài)激光器所能得到的最高功率。

1.2 GHz光纖激光器的發(fā)展情況

SESAM鎖模技術(shù)不但在全固態(tài)激光器中有著廣泛的應(yīng)用，在光纖激光器中也是一種主流的脈沖生成技術(shù)。2005年，東京大學(xué)的S.Yamashita等人利用碳納米管可飽和吸收體在1550 nm波段得到了重復(fù)頻率5.18 GHz，脈沖寬度為680 fs的飛秒脈 沖［31］。2011年，該 課 題 組 的A Martinez和S Yamashita利用碳納米管可飽和吸收體獲得了中心波長(zhǎng)為1563 nm，重復(fù)頻率為19.45 GHz，脈沖寬度為790 fs的脈沖輸出，該重復(fù)頻率為至今為止飛秒可飽和吸收體光纖激光器所能得到的最高重復(fù)頻率［32］。2013年，英國(guó)圣安德魯斯大學(xué)的A A Lagatsky等人利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡搭建了一臺(tái)中心波長(zhǎng)為1050 nm，脈沖寬度811 fs，重復(fù)頻率最高可達(dá)15 GHz的摻鐿光纖激光器［33］。

國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)在SESAM鎖模的GHz光纖飛秒激光器的研究領(lǐng)域建樹(shù)頗豐。2019年，中科院西光所的王虎山等人報(bào)道了一種利用SESAM鎖模的低噪聲摻鉺飛秒激光器，能夠輸出重復(fù)頻率2.68 GHz，脈沖寬度244 fs的飛秒脈沖，從30 MHz～300 Hz的時(shí)間抖動(dòng)為82.5 fs［34］。2021年，楊中民課題組報(bào)道了利用SESAM鎖模技術(shù)搭建的全光纖激光器，在1.5 μm的中心波長(zhǎng)下，重復(fù)頻率4.9 GHz，脈沖寬度63 fs，平均輸出功率10 W［35］。2022年，華南理工大學(xué)楊中民課題組的王偉超等人使用鉺鐿共摻光纖，通過(guò)搭建SESAM鎖模的全光纖激光器在泵浦功率僅為90 mW的情況下，得到了重復(fù)頻率1.6 GHz，脈沖寬度為390 fs的飛秒脈沖輸出［36］。同年，同一課題組的梁兆恒等人，展示了一種飛秒摻銩光纖激光器，利用SESAM鎖模技術(shù)獲得了2 μm波段下，重復(fù)頻率11.3 GHz，平均功率612 mW的中紅外飛秒脈沖，這是在該波段下目前所能得到的最高重復(fù)頻率［37］。

由于光纖獨(dú)有的一些非線性特點(diǎn)，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員開(kāi)發(fā)出了獨(dú)屬于光纖激光器的幾種鎖模方式：非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模（NPR）、高次諧波鎖模、非線性放大環(huán)形鏡鎖模（NALM）等，由于NALM需要一定長(zhǎng)度的光纖積累非線性相移，故至今為止利用NALM技術(shù)所得到的飛秒脈沖的重復(fù)頻率最高只有700 MHz［38］。下面主要介紹NPR鎖模和高次諧波鎖模。

非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模是光纖激光器中很常用的一種鎖模方式，其原理是：利用偏振分光棱鏡和二分之一、四分之一波片一起組成帶有偏振選擇功能的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將自由運(yùn)轉(zhuǎn)的普通激光在偏振分光棱鏡處轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏光，之后經(jīng)過(guò)波片轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光。由于單模光纖具有的非線性效應(yīng)，當(dāng)諧振腔內(nèi)的光強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)積累與光強(qiáng)相關(guān)的非線性相移，導(dǎo)致脈沖中不同位置處由于光強(qiáng)的不同而在相互正交的偏振方向上產(chǎn)生不同的非線性相移，因此改變了偏振態(tài)。根據(jù)上述原理，通過(guò)調(diào)節(jié)波片，選擇脈沖中心所對(duì)應(yīng)的偏振態(tài)，將邊緣部分濾掉，以此壓縮脈沖獲得超短脈沖。但是由于NPR鎖模利用的是單模光纖的雙折射效應(yīng)，極易受到震動(dòng)的影響導(dǎo)致失鎖，故NPR技術(shù)目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，很少獲得實(shí)際工程應(yīng)用，并且NPR技術(shù)的脈沖重復(fù)頻率受限于光纖長(zhǎng)度，如果光纖長(zhǎng)度較長(zhǎng)則無(wú)法得到較高的重復(fù)頻率，如果光纖長(zhǎng)度較短則會(huì)出現(xiàn)散熱問(wèn)題，燒壞光纖。因此，通過(guò)NPR技術(shù)產(chǎn)生的激光很少直接達(dá)到GHz的重復(fù)頻率，而是基于NPR鎖模產(chǎn)生的脈沖噪聲較低、質(zhì)量較好的特點(diǎn)，將NPR技術(shù)產(chǎn)生的脈沖作為高次諧波鎖模的基頻光來(lái)獲得GHz重復(fù)頻率的飛秒脈沖。

高次諧波鎖模更容易獲得更高的重復(fù)頻率。在泵浦功率較高，達(dá)到一定限度的情況下，激光器的諧振腔內(nèi)的脈沖不會(huì)無(wú)限制地提高峰值，而是會(huì)分裂產(chǎn)生多個(gè)孤子脈沖。這些孤子脈沖在穩(wěn)定的情況下有著相同的脈沖特性，當(dāng)相互分離時(shí)，還會(huì)具有相同的脈沖能量和脈沖寬度［39］。根據(jù)這種原理，通過(guò)調(diào)整諧振腔的偏振態(tài)，使得諧振腔內(nèi)分裂的孤子脈沖產(chǎn)生相同的時(shí)間間隔，從而提高激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率。利用諧波鎖模比較容易獲得高重復(fù)頻率的脈沖激光，但是得到的脈沖的幅度均勻性較差，且在時(shí)域上會(huì)有較大的抖動(dòng)［40］。2006年康奈爾大學(xué)的周士安等人利用摻鐿光纖激光器，基于NPR技術(shù)在31次諧波下得到了重復(fù)頻率為1.3 GHz，單脈沖能量小于100 pJ，脈沖寬度為500 fs的激光脈沖，但卻有著6 ps的時(shí)間抖動(dòng)［41］。2013年，勃艮第大學(xué)的Lecaplain等人利用無(wú)源諧波鎖模在最高928次諧波下獲得了22.2 GHz重復(fù)頻率的脈沖輸出，而在最穩(wěn)定的第272次諧波下，有著6.52 GHz的重復(fù)頻率和2.3 ps的時(shí)間抖動(dòng)［42］。2015年，西安電子科技大學(xué)的田文龍等人利用75.57 MHz摻鐿飛秒激光器同步泵浦的飛秒光學(xué)參量振蕩器在18211次諧波下獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的1.37 THz重復(fù)頻率，此時(shí)的脈沖寬度為138 fs，并且在2 W的泵浦功率下能獲得175 mW的平均功率輸出［43］。

除了以上各種通過(guò)諧振腔直接輸出飛秒脈沖的技術(shù)外，還可以通過(guò)將諧振腔輸出的光在腔外進(jìn)行模式濾波，過(guò)濾掉輸入光的一部分頻率成分，從而得到高重復(fù)頻率的鎖模飛秒脈沖。2017年，中科院國(guó)家授時(shí)中心的陳茂強(qiáng)通過(guò)腔外濾波的方式，將飛秒脈沖的重復(fù)頻率從207 MHz提高為4.77 GHz［44］。但是這種方法存在兩點(diǎn)缺陷：其一，若系統(tǒng)設(shè)置的濾波線寬過(guò)寬，則可能無(wú)法過(guò)濾掉一些本該濾掉的相鄰的縱模，導(dǎo)致產(chǎn)生邊模泄露問(wèn)題；其二，激光在裝置內(nèi)傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)發(fā)生色散，使得縱模之間的間隔發(fā)生變化，而使應(yīng)該透過(guò)的縱模發(fā)生偏移［45］。

2 GHz飛秒激光技術(shù)的應(yīng)用

固體激光器具有成本低、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)、相關(guān)產(chǎn)業(yè)較為成熟等優(yōu)點(diǎn)，有著巨大的市場(chǎng)需求和應(yīng)用潛力。在激光加工中，超短脈沖由于作用時(shí)間短，使得激光在材料內(nèi)部形成的熱擴(kuò)散面積小，能夠精確地對(duì)材料進(jìn)行加工［46］。1995年，密歇根大學(xué)的P.P.Pronko等人使用脈沖寬度200 fs，中心波長(zhǎng)800 nm的鈦寶石激光器加工出了一個(gè)直徑300 nm，深52 nm的小孔［47］，由此開(kāi)啟了飛秒激光加工的時(shí)代。2003年，Rizvi N H整理了飛秒激光對(duì)于金屬、玻璃、金剛石、各類(lèi)聚合物、陶瓷等材料的微加工技術(shù)進(jìn)展，并比較了飛秒激光加工與相似作用的競(jìng)爭(zhēng)方案之間的優(yōu)勢(shì)和潛力［48］。重復(fù)頻率為kHz或者M(jìn)Hz量級(jí)的超快激光器由于加工速度較慢，不符合一些對(duì)加工速度有要求的生產(chǎn)場(chǎng)合，且單純提升激光器的輸出功率會(huì)使得熱擴(kuò)散面積增大，損傷加工材料，降低加工精度，并且當(dāng)重復(fù)頻率較低時(shí)，由于相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔較大，在加工中受熱的加工點(diǎn)會(huì)有更多的時(shí)間將熱量擴(kuò)散到相接觸的周?chē)牧?，?dǎo)致熱擴(kuò)散面積增大，加大熱損傷范圍。而使用重復(fù)頻率為GHz的超快激光器能夠有效避免上述問(wèn)題。2016年，土耳其比爾肯特大學(xué)的Can Kerse等人通過(guò)提高飛秒激光器的重復(fù)頻率，利用燒蝕冷卻機(jī)制減小激光加工中對(duì)于目標(biāo)周?chē)臒釘U(kuò)散影響，并使用1.7 GHz的飛秒激光器分別去除牙質(zhì)和小鼠的腦組織，結(jié)果表明，相較低重復(fù)頻率的飛秒激光器，GHz飛秒激光器在加工中產(chǎn)生的熱損傷小了很多，并且加工速率提高了數(shù)倍［49］。2020年，法 國(guó)Amplitude Systèmes公 司的Guillaume Bonamis等人基于Can Kerse等人之前的工作，分別使用0.88，1.76，3.52 GHz的飛秒激光器，改變不同的激光功率和脈沖串發(fā)射時(shí)間，探究對(duì)于幾種不同金屬和非金屬的燒蝕效率和加工質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的金屬，在其他條件不變的情況下，通過(guò)選擇對(duì)應(yīng)的激光重復(fù)頻率和脈沖串發(fā)射時(shí)間，能夠得到最高的燒蝕效率和良好的加工質(zhì)量［50］。

由于飛秒脈沖的脈沖寬度較短，小于現(xiàn)有的任何電子器件的時(shí)間分辨力（ps量級(jí)），并且電子系統(tǒng)的時(shí)間抖動(dòng)也會(huì)掩蓋飛秒量級(jí)的光脈沖帶來(lái)的高速響應(yīng)的高精度優(yōu)勢(shì)，為了解決上述問(wèn)題，研究人員將飛秒激光器擴(kuò)譜鎖定制作成飛秒光梳，利用光梳的超穩(wěn)和寬光譜特性進(jìn)行距離測(cè)量。高重復(fù)頻率的飛秒激光器對(duì)于飛秒光梳測(cè)距也具有重要意義，在飛秒光學(xué)頻率梳中，重復(fù)頻率在頻域中表示光梳頻域中相鄰兩個(gè)梳齒之間的間隔，在時(shí)域中，重復(fù)頻率的倒數(shù)表示飛秒激光器的發(fā)射周期。提高重復(fù)頻率能夠增大激光器頻域中相鄰梳齒間的間隔，防止頻譜混疊影響測(cè)距精度。當(dāng)光梳的重復(fù)頻率一定時(shí)，單純地增大雙梳間差頻的值，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的等效采樣率降低，影響干涉信號(hào)的恢復(fù)。清華大學(xué)吳冠豪團(tuán)隊(duì)對(duì)此開(kāi)展了相關(guān)研究［51］，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析（如圖2所示），得出重復(fù)頻率一定時(shí)，存在一個(gè)差頻的最優(yōu)取值，使得此時(shí)得到的測(cè)量精度最高，這個(gè)最優(yōu)解僅受到光梳重復(fù)頻率的影響。在一些對(duì)測(cè)距要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)景中，若使用MHz或kHz飛秒光梳會(huì)存在精度和測(cè)量速度不能完全兼顧的問(wèn)題，而使用GHz飛秒激光器則能夠有效避免該問(wèn)題，通過(guò)提高激光器的重復(fù)頻率，增大精度最高時(shí)對(duì)應(yīng)的差頻的最優(yōu)解，從而在提高測(cè)量速度的同時(shí)保持很高的測(cè)量精度。

圖2 56 MHz重復(fù)頻率光梳的重復(fù)頻率差最優(yōu)區(qū)間分析[51]Fig.2 Optimal solution analysis of repetition frequency difference of 56 MHz repetition frequency optical comb

GHz飛秒激光在光譜測(cè)量領(lǐng)域也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于常用于燃燒診斷領(lǐng)域的飛秒激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)和飛秒成絲誘導(dǎo)非線性光譜技術(shù)，使用重復(fù)頻率更高的激光器能得到更快的測(cè)量速度，對(duì)于某些需要進(jìn)行高速測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)景有著重要的價(jià)值［52］。而對(duì)于各種單、雙飛秒光梳光譜測(cè)量技術(shù)，使用的激光器重復(fù)頻率達(dá)到GHz量級(jí)后，在頻域上梳齒狀的縱模會(huì)分離，并且以梳齒線寬的分辨力進(jìn)行寬光譜測(cè)量。將頻率梳應(yīng)用于高精度分子光譜時(shí)，模式間距應(yīng)大于熱多普勒展寬。例如，在室溫下，氫分子在1000 nm躍遷時(shí)的多普勒展寬約為3 GHz，此時(shí)需要使用重復(fù)頻率大于3 GHz的飛秒激光器進(jìn)行光譜測(cè)量［34］。在天文應(yīng)用中，多普勒速度漂移的精確測(cè)量是研究宇宙膨脹歷史和尋找太陽(yáng)系外行星的重要課題。使用多GHz飛秒鎖模激光器作為天文光譜儀的校準(zhǔn)器，可以減少所需濾波腔的數(shù)量，以獲得足夠大的模間距，并使得整個(gè)系統(tǒng)更加可靠，在天文臺(tái)有限的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下也更容易操作，且由于飛秒光梳的超穩(wěn)特性，即使激光器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作，也能保證激光器的縱模波動(dòng)在mHz量級(jí)甚至更低［53］。

3 總結(jié)與展望

GHz固體飛秒激光器在國(guó)際上已經(jīng)取得了非常杰出的研究進(jìn)展，但是目前也發(fā)展到了接近瓶頸的水平。對(duì)于高重頻所帶來(lái)的高噪聲的問(wèn)題，北大張志剛教授課題組最近報(bào)道的一種硅基光梳，將業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為的高重頻會(huì)帶來(lái)更高噪聲問(wèn)題歸因于機(jī)械噪聲，并通過(guò)玻璃結(jié)構(gòu)搭建了一套GHz飛秒光纖激光器，得到了非常優(yōu)秀的結(jié)果［54］。而根據(jù)重復(fù)頻率fr的計(jì)算公式fr=為光速；L為諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度），可知想要提高重復(fù)頻率就必然要縮短腔長(zhǎng)。

對(duì)于光纖激光器，以光纖的折射率為1.5計(jì)算，若要實(shí)現(xiàn)20 GHz的重復(fù)頻率，則需要的腔長(zhǎng)為5 mm。由于光纖激光器的腔長(zhǎng)過(guò)短，使得增益光纖無(wú)法完全將泵浦光吸收，由此帶來(lái)的嚴(yán)重的散熱問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致光纖被燒壞。并且產(chǎn)生高重復(fù)頻率脈沖所需要的增益光纖的高摻雜濃度也很難進(jìn)一步提升，這也限制了飛秒光纖激光器重復(fù)頻率的提高。

對(duì)于全固態(tài)飛秒激光器，其諧振腔內(nèi)的晶體和各種器件受限于制作工藝，在達(dá)到一定尺寸后很難進(jìn)一步縮小，使得研究人員很難繼續(xù)提高重復(fù)頻率。雖然單純的飛秒固體激光技術(shù)很難再提升重復(fù)頻率，但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光泵浦垂直外腔面發(fā)射鎖模半導(dǎo)體激光器（VECSEL）等將半導(dǎo)體技術(shù)與固體激光技術(shù)相結(jié)合的手段更容易獲得較高的重復(fù)頻率。2006年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Aschwanden等人利用VECSEL技術(shù)搭建了輸出50 GHz的皮秒激光器［55］，同組的Oliver D等人在2011年利用VECSEL技術(shù)做出了最高可達(dá)11.3 GHz重復(fù)頻率的飛秒激光器［56］。由于半導(dǎo)體技術(shù)高集成性的特點(diǎn)，利用此技術(shù)有著得到100 GHz重復(fù)頻率脈沖輸出的潛力。雖然單純的GHz飛秒激光器在提升重復(fù)頻率的方向陷入了一個(gè)瓶頸，但類(lèi)似VECSEL這種結(jié)合半導(dǎo)體技術(shù)的飛秒固體激光器還有著很大的潛力供研究人員挖掘。