钛宝石飞秒激光系统及其应用

黄晓园 凌东雄 王红成 叶 海

（东莞理工学院 电子工程学院，广东东莞 523808）

钛宝石飞秒激光系统及其应用

黄晓园 凌东雄 王红成 叶 海

（东莞理工学院 电子工程学院，广东东莞 523808）

目前最为成熟的飞秒激光系统是基于啁啾脉冲放大技术（CRA）的太瓦级钛宝石飞秒激光系统。本文以东莞理工学院光电子技术实验室的钛宝石飞秒激光系统为例，主要介绍飞秒激光系统的组成和一些主流应用，为飞秒激光系统的搭建与商业化提供了可参考的路线和方向。

飞秒激光；钛宝石；啁啾放大

飞秒激光在过去30多年的发展中，大致经过了飞秒染料激光器、飞秒固体激光器、超强飞秒激光器三个时代的发展。1990年之前，飞秒激光处在染料激光器时代，由于其增益介质荧光光谱较窄，热传导性差，加上染料介质具有毒性，限制了染料激光器向小型化和实用化发展［1-2］。

1990年之后，随着晶体生长技术的迅速发展和成熟，1991年英国人D.E.Spence等人采用氩离子激光器作为泵浦源，以钛宝石晶体（Ti：S）的克尔效应和棱镜对的色散补偿原理获得了60 fs的激光脉冲［3］。固体激光器代替染料激光器成为飞秒激光器的主要发展方向。掺钛蓝宝石以其优异的物理性质而受到广泛应用，形成现代飞秒固体激光器发展的主流。

由于从飞秒振荡器输出的单脉冲能量一般只有纳焦耳（ns，10-9J）量级，峰值功率在MW（106W）量级，那么低的能量很难满足应用。最常用的放大技术手段为啁啾脉冲放大技术（Chirped pulse amplification，CRA）［1］。它很好的解决了放大过程中介质损伤问题，克服各种不利因素，放大后其能量可达毫焦甚至更高，峰值功率达到太瓦（TW，1012W）乃至拍瓦（RW，1015W）。CRA技术为超短激光产生高峰值功率带来革命性的突破。

目前在国内应用最为广泛的是太瓦级钛宝石飞秒激光系统，主要包括钛宝石飞秒激光振荡器和基于CRA技术的飞秒激光放大器两大部分。本文以如图1所示东莞理工学院光电子技术实验室的钛宝石飞秒激光系统为例，分析飞秒振荡器、展宽器、再生放大器和压缩器，介绍该系统的主要应用领域和应用前景。

1 飞秒激光振荡器

钛宝石飞秒振荡器是以掺钛蓝宝石为增益介质，基于克尔透镜锁模机理产生飞秒级超短脉冲激光的装置，其调谐范围宽、输出功率大、转换效率高、运转方式多（连续、脉冲运转）而成为主流的应用。振荡器主要由泵浦源、增益介质和光谐振腔三个组成部分［4］。

钛宝石晶体吸收谱带从400 nm到600 nm，主吸收峰在488 nm，属于蓝绿光波段，因此实验室使用的泵浦源是Spectra-Rhysics公司的CW 532 nm激光器。在强光照射下增益介质产生三阶非线性效应即克尔效应（Kerr effect），是产生飞秒脉冲的一个关键响应［5］。

自相位调制（self-phasemodulation，SRM）是克尔效应在时域内的表现，使脉冲产生频率啁啾，造成脉冲光谱展宽，为锁模激光器获得短脉冲激光提供了可能。克尔效应在空域内使脉冲表现为自聚焦（self focusing），脉冲的中部将比边缘经历更大的非线性折射率改变，使得脉冲中部的相速度比脉冲边缘小，光束发生会聚，因此，脉冲经过克尔介质时象经过一个薄透镜。泵浦激光聚焦在增益介质内形成一个软光阑，光阑使脉冲前后沿损耗较大而脉冲中部几乎没有损耗，这种对脉冲在时域上的压缩称为克尔透镜锁模的脉冲压缩机制［2-4］。

飞秒振荡器的谐振腔采用X型折叠腔设计，这样可以使腔结构紧凑，较线型腔简单，并且能够提高脉冲的重复频率。飞秒激光振荡器内部实物如图2。F为聚焦透镜，将泵浦光聚焦到钛宝石上。透过晶体的一份泵浦光由凹面镜M2反射进入短臂，调节全反镜M4和全反镜M7使泵浦光返回。在长臂端，需要用棱镜对R1、R2进行色散补偿，这是因为钛宝石晶体的色散对飞秒脉冲有明显的展宽作用，对于光脉冲来说是非常不利的，钛宝石晶体属于正色散介质，所以需要引入负色散元件。激光从长臂即色散端输出，需要在输出镜M6后放置一个爬高镜RM1，飞秒输出脉冲在RM1爬高后经过R1被拾取镜输出反射镜M8反射，在端板的第二个输出孔输出。

在泵浦功率为4 W的情况下，我们对输出激光特性进行了测量。使用Spectra-Rhysics公司407 A型光功率计测得输出功率为400 mW。由于飞秒激光的脉冲宽度很窄，无法使用传统测量脉冲宽度的测量仪如光电探测仪器，我们使用的是Eever-fsmeter-SSA型单次自相关仪，测量结果如图3所示，显示该输出激光脉宽约为68.9 fs。实验中使用Ocean-optics公司光谱仪对飞秒脉冲光谱进行测量，结果如图4所示，激光中心波长约为805 nm，半高宽约为87 nm。

2 飞秒激光放大器

Titan Wave型飞秒激光放大系统用啁啾脉冲放大技术对飞秒激光振荡器的输出脉冲进行放大，放大器包括展宽器、再生放大器和压缩器等几个部分。其工作原理如图所示5，飞秒锁模振荡器的飞秒种子光经过脉冲展宽至皮秒量级，展宽后的脉冲进入放大器后吸取增益介质中储存的能量，接着进入压缩器，将放大脉冲的宽度压缩回到飞秒量级，从而获得高能量的光脉冲输出［6］。

2.1 展宽器

展宽器是指能将脉冲引入高色散的装置，使得脉冲在时域上宽度增大，使其峰值功率降低到钛宝石的损伤阈值以下，从而避免强脉冲对系统元件的损伤。实验中采用的是全反射型马丁内兹（Martinez）展宽器，简便易于调节，解决了由于输出光谱在光栅上衍射光斑较大的问题，虽然会产生像差，但是在一定程度上能够抵消放大器中的材料色散［7-8］。

展宽器光路设计如图6所示，振荡器输出的种子光首先经过由格兰棱镜GR1、磁光旋转器FR和λ/2波片W1组成的法拉第旋转器，可有效防止回光对振荡器的影响。随后种子光穿过爬高镜R2中两镜片之间的狭缝后，以22°的入射角入射到展宽器中光栅G1上。激光在展宽器中多次往返后由平面镜C5导出，爬低并转偏为S偏振后导入再生腔。该展宽器能够提供1.6×106 fs2的二阶色散量，能将30 fs的种子脉冲展宽为200 ps［8］。

2.2 再生放大器

从展宽器输出的种子脉冲即可进入放大器中进行放大。CRA技术中的外注入放大可以分为再生放大与多通放大，这里采用的是再生放大方式［9］。实验中采用的再生放大器为线性结构，具有很好的光束质量、较高的放大效率和稳定性。

再生放大器结构示意图如图7所示，主要由Empower泵源、钛宝石晶体Ti：Sa、四片腔镜M1-M4、格兰棱镜GR、普克尔盒RC、TEC制冷电路、真空室和真空泵组成。实验中选用的泵浦为Spectra -Rhysics公司的二极管泵浦、腔内倍频Nd：YLF激光器Empower。泵浦源的波长为527 nm，重复频率为1 kHz，单脉冲能量最大为20 mJ，能量稳定性＜0.5%rms。

展宽的种子脉冲从格兰棱镜GR进入再生腔中，Empower泵浦光从M4进入。泵浦光使增益介质中的粒子数反转，当种子光信号通过增益介质时，激发态上的粒子在种子光的作用下产生受辐射，种子脉冲在腔内经过多次往复放大而吸收了增益介质内储存的绝大部分能量，使自己的能量达到最大值后，被普克尔盒开关逐出腔外。

为了使放大倒空后的激光具有较好的能量稳定性，需要设计同步控制电路让泵浦光和种子光具有较好的时间同步。同步控制电路如图8所示，振荡器80 MHz锁模信号输入自制的分频电路中，分频为1 kHz之后分别触发泵源Empower和RC控制器，该1 kHz信号触发Empower输出的绿光和种子光是严格同步的，能够保证在放大过程中的时序不会乱。

在泵浦源Empower最大输出功率20 W下，再生放大后导出的最大能量为5.5 mJ，对应转换效率27.5%。光谱中心波长800 nm，半高全宽35 nm，支持27 fs的傅里叶变换极限脉冲。

2.3 压缩器

光脉冲在经过展宽和放大后，需要进入压缩器进行脉冲压缩，对产生的色散进行抵消补偿，实现对脉冲宽度的减小［10］。基于光栅压缩原理，实验中采用平行光栅压缩器，其结构如图所示，由光栅G2、折叠镜C13和爬低镜C14组成。再生放大器出来的放大光经透镜T6、T7扩束准直后进入压缩器。由于从环形再生腔输出的放大激光是S偏振态，所以还需要由C11爬高转偏振，再由C12反射入光栅G2，入射角度为56°，衍射后并经C13反射后形成一长条状光斑，再经C14爬低后，回到C13，G2以略低于入射光的高度由C15导出压缩器。

我们对压缩后的飞秒脉冲的输出特性进行了测量。用单次相关仪测得输出飞秒激光最短脉宽为45 fs，支持28 fs的变换极限脉宽。光谱仪测量的光谱图如图11所示，光谱半高全宽33 nm，由光功率计测得的输出功率为3.5W。

3 应用

近二十多年来，飞秒激光朝着脉冲更短、光谱更宽、能量更高发展，直接将物理、化学、生物、材料与信息科学的研究带入了微观超快过程领域，并开创了一些全新的研究领域，如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等［11-12］。

飞秒激光最直接的应用是把它作为光源形成多种时间分辨光谱技术和泵浦、探测技术。在东莞理工学院承担的国家重大科学仪器设备开发专项任务“太赫兹光谱在半导体材料中的应用”中，如图12所示的钛宝石飞秒激光系统用作太赫兹时域光谱仪的信号源，激励光电导产生太赫兹信号，为太赫兹光谱和成像技术奠定了基础。

微精细加工也是飞秒激光的另外一个重要应用。飞秒激光主要依靠多光子吸收机制来加工一些长脉冲激光无法作用的透明材料，具有作用时间极短，热效应小的特点，可以克服等离子体屏蔽现象［13］。

飞秒激光与长脉冲激光打孔加工实例比较，见图13。图13（a）为3.3 ns，120μJ长脉冲对材料进行打孔后的效果图，由于对激光能量的强烈吸收，大量激光能量在物质中沉积，形成局部加热并导致光损伤。图13（b）为200 fs脉冲对材料进行打孔的效果图，和长脉冲相比，飞秒激光加工的边缘较为光滑、清洁。

飞秒激光可以对半导体、透明材料内部甚至生物组织等进行微加工和雕刻。目前，飞秒激光微加工以其更高的加工精度和更小的加工尺寸为激光加工业开拓了更为广阔的应用领域。

飞秒化学反应、飞秒相干动力学的发展使得人们可以在超快飞秒时间尺度上实时观察分子运动并目击分子的诞生［14］。飞秒相干光谱学将成为光电子器件及单电子光电子器件的最主要研究工具，海量信息科学也将由此产生巨大的变化。

飞秒激光在医学精细手术、生物医学以及纳米医学上有广阔的应用前景。飞秒激光原位磨镶术（LASIK）不仅使眼角膜手术真正离开了手术刀，真正实现了“全程无刀手术”。飞秒激光还可以对单个细胞动精密手术，并可用于基因疗法。

4 结语

基于CRA技术的钛宝石飞秒激光系统是目前应用最为成熟最为广泛的飞秒激光源，主要由飞秒振荡器、展宽器、再生放大器和压缩器等几个部分组成。飞秒振荡器的输出功率一般在几个到几百毫瓦之间，对应的单脉冲能量一般在皮焦到焦耳量级之间，如此低的能量很难满足许多领域的应用，因此需要对输出的飞秒脉冲进行放大。随着激光技术的发展，更短脉冲和更高能量必将成为现实并在物理、化学、天文、医学等众多领域获得更广泛的应用。

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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

国家重大科学仪器设备开发专项（2012YQ14000511）。

黄晓园（1990—），男，广东梅州人，主要从事光学设计、光电子学与激光技术研究。