鎖模激光器——基于鎖模技術發射超短脈沖激光器

鎖模激光器是一種應用主動或被動鎖模技術的激光器，從而發射出周期性的超短脈沖序列。由于超短脈沖具有一定的帶寬，用于短脈沖（尤其是亞皮秒區域）的鎖模激光器需要具有大增益帶寬的增益介質。其他理想的特性是不太高的非線性和色散，以及（特別是對于無源鎖模）足夠高的激光橫截面以避免Q 開關不穩定性。

鎖模激光器的類型

以下類型的激光器對鎖模特別有吸引力：

• 在 1970 年代，常規使用染料激光器，用氬離子激光器泵浦。激光染料具有寬增益帶寬，允許非常短的脈沖。然而，一旦固態激光器能夠提供類似或更好的性能，染料激光器已在很大程度上被固態激光器所取代。

• 基于離子摻雜晶體或玻璃的固態體激光器是當今主要的鎖模激光器類型。它們允許非常短的脈沖、非常高的脈沖能量和/或平均輸出功率、高或低的脈沖重復率以及高脈沖質量。下面列出了一些創紀錄的成就。

• 光纖激光器也可以進行鎖模，以產生非常短的脈沖，并且具有潛在的廉價設置。高輸出功率通常不是直接實現的，而是通過使用光纖放大器實現的。所實現的脈沖持續時間的超快光纖激光器通常是由有限的非線性或由較高階色散，而不是由增益帶寬。

• 半導體激光器可以構建為鎖模二極管激光器，主要用于光纖通信中的應用。最近，已經證明光泵浦被動鎖模VECSEL可以與其他固態激光器相媲美，特別是如果結合了相對較高的輸出功率、幾千兆赫的脈沖重復率和可能的短脈沖持續時間（幾皮秒）或更少）是必需的。

由于這些增益介質的性質非常不同，因此必須選擇合適的介質以在特定參數范圍內操作鎖模激光器，例如關于脈沖持續時間、中心波長和脈沖重復率。

具有中低輸出功率的典型飛秒鎖模固態體激光器的諧振器設置。增益介質可以由晶體或玻璃制成。甲棱鏡對用于色散補償，和被動模式鎖定與實現SESAM。

設計問題

鎖模激光器的設計通常是一項非常重要的任務，特別是如果以脈沖參數的極端參數區域為目標。許多效應之間存在復雜的相互作用，包括色散和幾種非線性效應，改變一個設計參數通常會影響其他幾個。（例如，在孤子鎖模激光器中，激光晶體中模式尺寸或腔長的變化會改變非線性和色散的平衡，從而改變脈沖持續時間。）因此，很難同時實現極短脈沖、穩定運行和高功率效率。對于增益介質的給定參數，可實現的脈沖參數可能存在一定的限制。一個相對微不足道的問題是增益帶寬小的增益介質不適合產生非常短的脈沖。當然更令人驚訝的是，例如發現鎖模固態激光器難以將高脈沖重復率與高平均輸出功率結合起來，并且產生亞皮秒脈沖的額外要求使得這種權衡更加要求。這種限制來自于一系列效應和問題的組合，例如Q 開關鎖模和其他類型的不穩定性、脈沖整形的細節和可飽和吸收器的限制，并且還受到看似完全不相關的問題的影響，例如可用泵浦源的光束質量。

出于這些原因，基于對所有相關物理細節的扎實定量理解和具有典型局限性的深入經驗的非常系統的激光開發過程對于高效的產品開發至關重要。一個關鍵點是制定詳細的激光器設計并在進行實驗研究之前定量檢查許多問題。如果沒有這樣的準備，就有可能陷入無法簡單一步一步解決的問題組合。

一些特殊成就

被動鎖模固態激光器的一些特殊成就是：

• 持續時間低于10fs（少周期脈沖）的最短脈沖通常是通過鈦藍寶石激光器的克爾透鏡鎖模實現的。

• 亞皮秒脈沖的高平均輸出功率超過200W，脈沖能量超過10μJ的脈沖能量已從被動鎖模薄盤激光器的脈沖中獲得，甚至 80μJ在皮秒脈沖。

• 使用被動鎖模微型體激光器和諧波鎖模光纖激光器已經獲得了非常高的脈沖重復率。使用小型激光二極管甚至可以達到>1THz的更高值。

• 各種激光器（通常具有高脈沖重復率）已經達到了量子限制的定時抖動性能，因此優于許多高質量的電子振蕩器。

脈沖重復率為50GHz的微型Er:Yb:glass激光器設置。腔長僅為3mm（從輸出耦合器到SESAM）。修改后的設置甚至允許100GHz。

更高的脈沖能量與空腔傾倒

一個鎖模激光器可以在較低脈沖重復率產生例如幾個微焦耳的較高的脈沖能量（例如，100千赫茲或1兆赫）通過摻入腔倒空器中的激光諧振器。基本原理是在諧振腔內形成高能量脈沖，同時諧振腔損耗低，然后通過腔體傾倒器耦合輸出能量。

鎖模激光器的典型應用

以下列表給出了鎖模激光器的多種應用的一些印象：

• 短脈沖允許時間分辨測量，例如對集成電路進行電光采樣測量，或對半導體器件（如SESAM）進行泵浦探針測量。

• 由于各種原因，各種成像方法、激光顯微術和激光光譜法從短脈沖中獲益匪淺。例如，飛秒激光器的高峰值功率可用于雙光子吸收 熒光顯微鏡，在所有三個維度上都達到非常高的空間分辨率。

• 在光學計量領域，鎖模激光器可用于距離測量，也可用于頻率計量（計時）等領域。在頻率計量的背景下，鎖模激光器的頻率梳起著特別重要的作用。

• 鎖模激光器的高峰值功率極大地促進了許多非線性頻率轉換過程，即使平均功率保持中等。

• 其他具有較大潛力的領域是微波、毫米波和太赫茲光學以及皮秒光電子學。

鎖模激光器還經常與超快放大器結合使用，以獲得更高的平均功率，尤其是更高的脈沖能量和峰值功率。這種放大系統可以滿足廣泛的附加應用：

• 高脈沖強度用于激光材料加工中的應用，例如激光微加工、表面處理、鉆孔和三維激光原型制作。

• 在醫學領域，鎖模激光器可再次用于一種材料加工，例如作為激光手術刀或眼科（例如視力矯正）。也有用于例如某些皮膚治療的光化學效應。

• 高功率激光投影顯示器可以通過鎖模激光器和頻率轉換階段來實現，后者在使用超短脈沖時通常要簡單得多。

• 高強度物理學依賴于具有非常高脈沖能量和峰值功率的放大系統，因此在將激光輻射聚焦到小點時可以獲得極高的光強度。

MENHIR PHOTONICS 1550nm的飛秒激光器

Menhir Photonics 提供1.5μm波長的超快鎖模激光器。這些激光器提供低于200fs的脈沖寬度和可從250MHz到2.5GHz 的基本脈沖重復率。這些系統是密封的和一體式的。旨在實現超低噪聲性能以及高可靠性和堅固性，以確保它們可用于從實驗室設置到惡劣環境的任何情況。

MPB Communications脈沖光纖激光器

MPBC 的脈沖光纖激光器系列旨在滿足一系列市場應用，包括醫學和生物醫學研究、半導體檢測、微加工、計量學和多光子光譜學。

高功率鎖模飛秒光纖激光器在920nm和1190nm光譜范圍內運行 - 傳統上由超快鈦藍寶石激光器和光學參數振蕩器覆蓋。它們產生脈沖持續時間為200fs、重復頻率為80MHz、平均功率為1W的線性偏振近變換限制脈沖。 緊湊且免維護的激光器是基于光纖的，具有非常好的光束輪廓，并且不需要光學對準。

MPBC的鎖模光纖激光器在1μm或1.5μm范圍內運行，并提供皮秒范圍內的脈沖，可用作光放大器和二次諧波生成的種子源。基于全光纖設計，MLFL高度可靠（10,000小時）且無需維護。為確保環境穩定的線性偏振輸出和交鑰匙自啟動操作，所有組件均由保偏光纖制成。

MPBC的納秒脈沖光纖激光器提供用戶可選擇的重復率，并基于全光纖激光腔，可提供出色的光束質量和壁插效率。圖形用戶界面允許用戶根據需要更改重復率以進一步完善他們的應用程序。這些緊湊型風冷激光器是您應用的絕佳選擇。