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锁模激光器——基于锁模技术发射超短脉冲激光器

时间:2021-07-16 来源:新特光电 访问量:1036

锁模激光器是一种应用主动或被动锁模技术的激光器,从而发射出周期性的超短脉冲序列。由于超短脉冲具有一定的带宽,用于短脉冲(尤其是亚皮秒区域)的锁模激光器需要具有大增益带宽的增益介质。其他理想的特性是不太高的非线性和色散,以及(特别是对于无源锁模)足够高的激光横截面以避免Q 开关不稳定性。

锁模激光器的类型

以下类型的激光器对锁模特别有吸引力:

  • 在 1970 年代,常规使用染料激光器,用氩离子激光器泵浦。激光染料具有宽增益带宽,允许非常短的脉冲。然而,一旦固态激光器能够提供类似或更好的性能,染料激光器已在很大程度上被固态激光器所取代。

  • 基于离子掺杂晶体或玻璃的固态体激光器是当今主要的锁模激光器类型。它们允许非常短的脉冲、非常高的脉冲能量和/或平均输出功率、高或低的脉冲重复率以及高脉冲质量。下面列出了一些创纪录的成就。

  • 光纤激光器也可以进行锁模,以产生非常短的脉冲,并且具有潜在的廉价设置。高输出功率通常不是直接实现的,而是通过使用光纤放大器实现的。所实现的脉冲持续时间的超快光纤激光器通常是由有限的非线性或由较高阶色散,而不是由增益带宽。

  • 半导体激光器可以构建为锁模二极管激光器,主要用于光纤通信中的应用。最近,已经证明光泵浦被动锁模VECSEL可以与其他固态激光器相媲美,特别是如果结合了相对较高的输出功率、几千兆赫的脉冲重复率和可能的短脉冲持续时间(几皮秒)或更少)是必需的。

由于这些增益介质的性质非常不同,因此必须选择合适的介质以在特定参数范围内操作锁模激光器,例如关于脉冲持续时间、中心波长和脉冲重复率。

具有中低输出功率的典型飞秒锁模固态体激光器的谐振器设置

具有中低输出功率的典型飞秒锁模固态体激光器的谐振器设置。增益介质可以由晶体或玻璃制成。甲棱镜对用于色散补偿,和被动模式锁定与实现SESAM。

设计问题

锁模激光器的设计通常是一项非常重要的任务,特别是如果以脉冲参数的极端参数区域为目标。许多效应之间存在复杂的相互作用,包括色散和几种非线性效应,改变一个设计参数通常会影响其他几个。(例如,在孤子锁模激光器中,激光晶体中模式尺寸或腔长的变化会改变非线性和色散的平衡,从而改变脉冲持续时间。)因此,很难同时实现极短脉冲、稳定运行和高功率效率。对于增益介质的给定参数,可实现的脉冲参数可能存在一定的限制。一个相对微不足道的问题是增益带宽小的增益介质不适合产生非常短的脉冲。当然更令人惊讶的是,例如发现锁模固态激光器难以将高脉冲重复率与高平均输出功率结合起来,并且产生亚皮秒脉冲的额外要求使得这种权衡更加要求。这种限制来自于一系列效应和问题的组合,例如Q 开关锁模和其他类型的不稳定性、脉冲整形的细节和可饱和吸收器的限制,并且还受到看似完全不相关的问题的影响,例如可用泵浦源的光束质量。

出于这些原因,基于对所有相关物理细节的扎实定量理解和具有典型局限性的深入经验的非常系统的激光开发过程对于高效的产品开发至关重要。一个关键点是制定详细的激光器设计并在进行实验研究之前定量检查许多问题。如果没有这样的准备,就有可能陷入无法简单一步一步解决的问题组合。

一些特殊成就

被动锁模固态激光器的一些特殊成就是:

  • 持续时间低于10fs(少周期脉冲)的最短脉冲通常是通过钛蓝宝石激光器的克尔透镜锁模实现的。

  • 亚皮秒脉冲的高平均输出功率超过200W,脉冲能量超过10μJ的脉冲能量已从被动锁模薄盘激光器的脉冲中获得,甚至 80μJ在皮秒脉冲。

  • 使用被动锁模微型体激光器和谐波锁模光纤激光器已经获得了非常高的脉冲重复率。使用小型激光二极管甚至可以达到>1THz的更高值。

  • 各种激光器(通常具有高脉冲重复率)已经达到了量子限制的定时抖动性能,因此优于许多高质量的电子振荡器。

脉冲重复率为50GHz的微型Er:Yb:glass激光器设置

脉冲重复率为50GHz的微型Er:Yb:glass激光器设置。腔长仅为3mm(从输出耦合器到SESAM)。修改后的设置甚至允许100GHz。

更高的脉冲能量与空腔倾倒

一个锁模激光器可以在较低脉冲重复率产生例如几个微焦耳的较高的脉冲能量(例如,100千赫兹或1兆赫)通过掺入腔倒空器中的激光谐振器。基本原理是在谐振腔内形成高能量脉冲,同时谐振腔损耗低,然后通过腔体倾倒器耦合输出能量。

锁模激光器的典型应用

以下列表给出了锁模激光器的多种应用的一些印象:

  • 短脉冲允许时间分辨测量,例如对集成电路进行电光采样测量,或对半导体器件(如SESAM)进行泵浦探针测量。

  • 由于各种原因,各种成像方法、激光显微术和激光光谱法从短脉冲中获益匪浅。例如,飞秒激光器的高峰值功率可用于双光子吸收 荧光显微镜,在所有三个维度上都达到非常高的空间分辨率。

  • 在光学计量领域,锁模激光器可用于距离测量,也可用于频率计量(计时)等领域。在频率计量的背景下,锁模激光器的频率梳起着特别重要的作用。

  • 锁模激光器的高峰值功率极大地促进了许多非线性频率转换过程,即使平均功率保持中等。

  • 其他具有较大潜力的领域是微波、毫米波和太赫兹光学以及皮秒光电子学。

锁模激光器还经常与超快放大器结合使用,以获得更高的平均功率,尤其是更高的脉冲能量和峰值功率。这种放大系统可以满足广泛的附加应用:

  • 高脉冲强度用于激光材料加工中的应用,例如激光微加工、表面处理、钻孔和三维激光原型制作。

  • 在医学领域,锁模激光器可再次用于一种材料加工,例如作为激光手术刀或眼科(例如视力矫正)。也有用于例如某些皮肤治疗的光化学效应。

  • 高功率激光投影显示器可以通过锁模激光器和频率转换阶段来实现,后者在使用超短脉冲时通常要简单得多。

  • 高强度物理学依赖于具有非常高脉冲能量和峰值功率的放大系统,因此在将激光辐射聚焦到小点时可以获得极高的光强度。

MENHIR PHOTONICS 1550nm的飞秒激光器

Menhir Photonics 提供1.5μm波长的超快锁模激光器。这些激光器提供低于200fs的脉冲宽度和可从250MHz到2.5GHz 的基本脉冲重复率。这些系统是密封的和一体式的。旨在实现超低噪声性能以及高可靠性和坚固性,以确保它们可用于从实验室设置到恶劣环境的任何情况。

1.5μm波长的超快锁模激光器

MPB Communications脉冲光纤激光器

MPBC 的脉冲光纤激光器系列旨在满足一系列市场应用,包括医学和生物医学研究、半导体检测、微加工、计量学和多光子光谱学。

飞秒锁模种子源激光器

高功率锁模飞秒光纤激光器在920nm和1190nm光谱范围内运行 - 传统上由超快钛蓝宝石激光器和光学参数振荡器覆盖。它们产生脉冲持续时间为200fs、重复频率为80MHz、平均功率为1W的线性偏振近变换限制脉冲。 紧凑且免维护的激光器是基于光纤的,具有非常好的光束轮廓,并且不需要光学对准。

皮秒锁模光纤激光器

MPBC的锁模光纤激光器在1µm或1.5µm范围内运行,并提供皮秒范围内的脉冲,可用作光放大器和二次谐波生成的种子源。基于全光纤设计,MLFL高度可靠(10,000小时)且无需维护。为确保环境稳定的线性偏振输出和交钥匙自启动操作,所有组件均由保偏光纤制成。

MPBC的纳秒脉冲光纤激光器提供用户可选择的重复率,并基于全光纤激光腔,可提供出色的光束质量和壁插效率。图形用户界面允许用户根据需要更改重复率以进一步完善他们的应用程序。这些紧凑型风冷激光器是您应用的绝佳选择。

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