性能優(yōu)異、可靠而靈活的鈦寶石超快激光放大器

1、性能優(yōu)異、可靠而靈活的鈦寶石超快激光放大器    作者：Daniel-SteveFournier，SteveButcher；CoherentInc.鈦寶石和超快激光器的誕生激光器自1960年發(fā)明以來，已成為科學研究與工業(yè)應用的重要工具之一。1986年，為獲得比染料激光器操作更簡便的寬可調諧激光光源，以摻鈦藍寶石（鈦寶石，Ti:S）為增益介質的固體激光器應運而生。上個世紀90年代初，隨著克爾透鏡鎖模（KLM）鈦寶石超快振蕩器的誕生，產生100fs左右的超短脈沖變得非常方便，從而開創(chuàng)了超快研究的新時代。隨后幾年中，    作者：

2、Daniel-Steve Fournier，Steve Butcher；CoherentInc.     鈦寶石和超快激光器的誕生    激光器自1960年發(fā)明以來，已成為科學研究與工業(yè)應用的重要工具之一。1986年，為獲得比染料激光器操作更簡便的寬可調諧激光光源，以摻鈦藍寶石（鈦寶石，Ti:S）為增益介質的固體激光器應運而生。上個世紀90年代初，隨著克爾透鏡鎖模（KLM）鈦寶石超快振蕩器的誕生，產生100fs左右的超短脈沖變得非常方便，從而開創(chuàng)了超快研究的新時代。隨后幾年中，基于鈦寶石的超快啁啾放大器（CPA）也滿足了日益

3、增長的對高脈沖能量的需求。由于具有增益帶寬寬、熱導性能好、光學和機械性能優(yōu)異等特點，鈦寶石已成為超快激光器和可調諧激光器的首選增益介質。鈦寶石超快激光器普及的另外一個重要原因是，人們很容易找到合適的固體泵浦激光器，目前連續(xù)和脈沖鈦寶石激光器都采用以摻釹材料為增益介質的倍頻激光器泵浦。     據(jù)估計，由于亞洲地區(qū)的經濟增長強勁，目前亞洲鈦寶石超快激光器市場大約已經占到了全球市場的25。     應用驅動的超快激光技術：最新趨勢    在過去的十年中，市場需求推動著商業(yè)化超快激光器的研制

4、與發(fā)展。用于前沿科學研究的超快激光器中，振蕩器的典型輸出為：脈沖寬度10fs10ps、脈沖能量120nJ、重復頻率7090MHz。這些振蕩器被用于多光子顯微（MPE）、太赫茲（THz）光譜與成像、超快光譜學，以及作為超快放大器的種子光源。通過對振蕩器輸出的放大，可以獲得更高的脈沖能量。最常見的是基于CPA原理的超快放大器，它可以避免在放大過程中損壞光學元件，同時將放大后的脈沖寬度保持在很短的水平。     商業(yè)化超快放大器可分為幾種不同類型。需要高工作速度的應用領域，如一些液相和固相超快光譜研究、超快微加工和相應的OPA泵浦，適合采用連續(xù)固體激光器泵浦的

5、高重復頻率再生放大器。例如，Coherent公司的RegA 9050放大器，采用Verdi連續(xù)DPSS激光器作為泵浦源，可以輸出高達10J的脈沖能量、高達300kHz的重復頻率，以及低至40fs的脈沖寬度。     為了獲得更高的脈沖能量，鈦寶石放大器必須設計為重復頻率更低、泵浦強度更高，以避免放大器中熱效應的限制。使用重復頻率為110kHz的脈沖固體激光器泵浦，放大器一般可以在800nm波長處獲得17mJ的脈沖能量。     對鈦寶石晶體進行低溫冷卻，可以顯著降低熱效應，從而在相似重復頻率下（最高20kHz）獲得

6、更高的脈沖能量（最高20mJ）。例如，Coherent公司的Legend Elite Cryo系統(tǒng)（見圖1）就是在再生放大器輸出之后，增加一級低溫冷卻的多通功率放大器。     上述輸出脈沖能量在毫焦（mJ）量級的超快放大器常用于超快光譜、OPA泵浦、微加工等應用領域，最新的科研方向，如高次諧波產生、阿秒物理、太赫茲波產生等應用，則要求更高的脈沖能量和更短的脈沖寬度。    對于要求更高脈沖能量的應用，主要是等離子體物理、X射線產生、強場物理和軍事應用，商用鈦寶石放大器可提供幾十毫焦到幾焦的能量輸出，不過重復頻率要更低（單次

7、到10Hz）。這類放大器一般采用調Q的低重頻Nd:YAG激光器泵浦。     千赫茲（110kHz）超快放大器的典型配置    目前市場上銷售的大部分超快放大器的輸出在110mJ、110kHz范圍內，未來的發(fā)展趨勢是向更高的脈沖能量和更短的脈沖寬度發(fā)展，從而對超快振蕩器和放大器的設計提出了新的要求。     構建一個可靠且高效的短脈沖鈦寶石CPA千赫茲超快放大器，必須從一個非常穩(wěn)定的寬帶鈦寶石鎖模振蕩器開始，尤其是采用內置泵浦源的一體化振蕩器，這可以確保高度的穩(wěn)定性與操作簡便性。商業(yè)化

8、振蕩器設計中常用的色散補償技術有兩種：一種基于棱鏡對，能獲得高度的靈活性，這種技術采用得比較多；另一種基于啁啾鏡，只提供作為放大器種子源所需的寬帶寬， ，但獲得的靈活性不高。     在最簡單的放大器配置中，振蕩器輸出的脈沖在展寬器中進行正啁啾，在再生放大器（RGA）或多通放大器（MPA）中放大，然后通過壓縮器壓窄脈寬（見圖2）。過去，這樣一套放大器系統(tǒng)需要占據(jù)整個實驗室，并且要幾個專家來搭建、維護和操作。而現(xiàn)在，商業(yè)化高能量放大器僅僅需要一張光學平臺的部分面積以及很少的維護，并且學生或激光經驗有限的生產人員都可使用。超快放大器系統(tǒng)本身已經不再是人們關注

9、的研究對象，而是可靠的研究工具（見圖3）。     雖然現(xiàn)在仍然有少數(shù)制造商采用多通放大器設計，但是再生放大器最為常見，因為它在光束質量、能量穩(wěn)定性和指向穩(wěn)定性等方面均有明顯優(yōu)勢。圖4顯示了再生放大器和多通放大器的設計與光束質量比較。           脈沖能量不同的kHz放大器，需要對鈦寶石晶體進行不同方式的冷卻。Coherent公司的Legend Elite放大器系列產品中，脈沖能量<2mJ的采用水冷，脈沖能量在27mJ之間的則采用簡便

10、有效的熱電致冷（TEC），以保持放大后的光束質量、穩(wěn)定性和脈沖寬度。同時，Coherent對晶體的封裝、再生放大器諧振腔、展寬/壓縮器以及放大器平臺都進行了細致的設計，通過內置泵浦激光器、再生腔溫度穩(wěn)定等措施獲得了高效率（泵浦轉換效率接近35）、高穩(wěn)定性、結構緊湊的優(yōu)異性能（見圖5）。     超快激光系統(tǒng)：全套商業(yè)化解決方案    過去，幾乎所有的超快激光放大器的創(chuàng)新都來自科研院所。近年來，大量公司對研發(fā)投入的增加以及在產品改進方面的努力，加速了技術轉移與新產品開發(fā)，這也使很多公司能為日趨高端的應用提供完整的商業(yè)化解決方案

11、。最新的應用包括阿秒物理中的載波包絡相位（CEP）穩(wěn)定、脈沖整形和優(yōu)化中的振幅和相位調制、超快光譜研究中的多個OPA泵浦、粒子加速器設施中的脈沖同步等等。同時，多種商業(yè)化激光檢測設備，包括單次自相關儀、相位分析器、光束質量分析儀、功率和能量計等，也都大大提高了用戶的工作效率。     正如激光器設計正向著一體化方向發(fā)展一樣，選擇能提供完整解決方案的設備提供商，可以為用戶的超快放大器系統(tǒng)的所有部件提供更加靈活的設計以及高效而全面的技術支持。圖6顯示的是Coherent公司的垂直集成超快產品線。     選擇超快放大器：系統(tǒng)靈活性有利于長期科研設備利用率，是超快激光系統(tǒng)性價比的關鍵因素    當客戶選擇鈦寶石激光器時，應該著重考慮以下幾個因素： 技術指標 穩(wěn)定性和可靠性 操作與維護的簡便性 子系統(tǒng)（泵浦、振蕩器、放大器、諧波與OPA、脈沖整形器等）集成度 模塊化與擴展性（升級選擇） 售后服務水平與支持網絡 性能/價格比    商用客戶在選擇高功率超快放大器系統(tǒng)時，一般選擇操作方便的全集成系統(tǒng)