TIF-100鈦藍(lán)寶石飛秒激光器工作原理簡介

      摻鈦藍(lán)寶石（Ti:sapphire）是一種固態(tài)激光介質(zhì)，能夠在較寬的近紅外（NIR）波長范圍內(nèi)進(jìn)行可調(diào)諧激光操作。由于在光譜的藍(lán)色和綠色區(qū)域具有寬的吸收帶，激光過程中的能量可由標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)波氬離子激光器或532nm高功率二極管泵浦連續(xù)固體激光器提供。 通過選擇合適的光學(xué)器件，鎖模鈦寶石激光器可以覆蓋690nm-1080nm的波長范圍，脈沖寬度小于10fs。

           在CW連續(xù)激光泵浦源作用下，采用克爾透鏡鎖模（KLM）機(jī)制，使一定排列方式的固態(tài)鈦寶石激光器產(chǎn)生連續(xù)的飛秒脈沖序列。KLM機(jī)制將自聚焦效應(yīng)和光闌效應(yīng)結(jié)合在一起，使得激光產(chǎn)生的光脈沖的持續(xù)時間盡可能短。自聚焦效應(yīng)導(dǎo)致腔模的空間強(qiáng)度分布發(fā)生微小變化，這取決于激光器（鈦寶石晶體本身）活性介質(zhì)中光脈沖的瞬時功率。然后，通過仔細(xì)匹配腔模的空間重疊和有源介質(zhì)中泵浦光的焦點(diǎn)區(qū)域（“軟孔徑KLM"），并另外引入靠近腔體的一個端鏡的腔內(nèi)孔徑（‘硬孔徑KLM’），可以產(chǎn)生功率相關(guān)的腔損耗。

      由于非共振克爾非線性的準(zhǔn)瞬時響應(yīng)，而鈦寶石的增益弛豫時間較低，循環(huán)激光脈沖每次通過活性介質(zhì)時都會產(chǎn)生快速調(diào)制。這導(dǎo)致了有效的被動鎖模操作，結(jié)合200nm寬的鈦藍(lán)寶石材料增益譜，支持形成持續(xù)時間小于10 fs的脈沖。脈沖寬度的精確值取決于腔內(nèi)自相位調(diào)制和腔內(nèi)負(fù)群延遲色散之間的臨界相互作用。

TIF-100簡介：

      Avesta公司提供基于摻鈦藍(lán)寶石的飛秒振蕩器TIF系列，可選不同泵浦功率，最高輸出3W/800nm，保證提供給用戶的激光器經(jīng)過全面測試，適用于穩(wěn)定的連續(xù)克爾透鏡鎖模操作。     

      TIF-100激光器是TIF家族中常用的系列之一，典型脈寬>100fs。TiF-100激光頭集成了鈦藍(lán)寶石晶體棒和相應(yīng)光學(xué)元件，構(gòu)成振蕩器腔?；炯す庋b置包括抽運(yùn)光束鏡、折疊腔鏡、抽運(yùn)光束聚焦透鏡、一對與激光棒對準(zhǔn)的凹球面鏡、一個輸出耦合器（OC）、一組用于色散補(bǔ)償?shù)睦忡R、一個作為光譜調(diào)諧元件的狹縫，輔助布線鏡系統(tǒng)和可選的內(nèi)置光譜儀。光學(xué)頭單圖如圖所示：

      TiF-100激光頭連接端口包括：冷卻水輸入/輸出端口、直流電源輸入口、數(shù)據(jù)采集USB端口、脈沖序列監(jiān)測SMA射頻輸出端口，以及兩個用于用惰性氣體/干燥空氣吹掃連接端口。所有這些連接器端口都可以在激光光學(xué)頭的背面找到。

      TiF-100內(nèi)置光譜儀，可用于獲取激光器輸出的實(shí)時光譜信息，直接顯示于配套軟件界面。激光器可通過USB端口連接PC，在TIF專用軟件上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與操控。激光頭內(nèi)置的電子模塊包括光譜數(shù)據(jù)解釋硬件、步進(jìn)電機(jī)控制器、電子鎖模啟動器方案（啟動器）和配備USB接口的微處理器單元等。

TIF泵浦激光器：

       由于鈦寶石激光介質(zhì)在可見光的藍(lán)、綠部分具有很寬的吸收帶，因此可以用多種光源進(jìn)行光泵浦，包括連續(xù)氬離子激光器、高功率脈沖和連續(xù)綠光DPSS激光器以及激光二極管。保證鈦寶石泵浦激光器的輸出光束質(zhì)量非常重要：其橫模必須盡可能接近TEM00。       抽運(yùn)鈦寶石激光器最合適的選擇是采用二極管抽運(yùn)倍頻固體Nd³⁺激光器，工作在TEM00橫模區(qū)，輸出功率在3-10W之間。這類激光器結(jié)構(gòu)緊湊，可以集成到鈦藍(lán)寶石系統(tǒng)中，能夠在近衍射極限、高穩(wěn)定的光束中提供大于3W的輸出功率。       連續(xù)波泵浦條件下，激光作用的一個重要條件是鈦寶石發(fā)光超過腔往返損耗和非飽和活性介質(zhì)增益。該增益是通過對一個精心選擇尺寸和形狀的活性介質(zhì)（激光晶體）中的激光躍遷態(tài)的布局進(jìn)行反轉(zhuǎn)來獲得的。 高反轉(zhuǎn)密度是由于藍(lán)寶石晶格中的Ti³⁺離子吸收泵浦輻射的結(jié)果。鈦藍(lán)寶石發(fā)光面臨的總損失（增益降低）來自反射損失（鏡面涂層和拋光表面）和鈦藍(lán)寶石晶體本身的殘余吸收。后者與晶體長度成正比，隨Ti³⁺濃度變化，一般隨濃度增加而增加。       與染料激光器的情況不同，鈦寶石激光器的泵浦光束必須與腔模在激光晶體內(nèi)相對較長的距離上共線，以使KLM機(jī)制足夠強(qiáng)大，以支持飛秒操作。然而，使用相對低功率的DPSS泵浦激光器不可能在晶體的整個孔徑上實(shí)現(xiàn)足夠高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度。為了避免這個問題，需要聚焦泵浦輻射，使其與鈦寶石激光器的腔模在空間上重疊（這種技術(shù)稱為縱向泵浦）。剩余的泵浦光隨后通過第二腔聚焦鏡傾倒。默認(rèn)情況下，TiF-100光學(xué)頭內(nèi)安裝了一個翻轉(zhuǎn)鏡，使入射的泵浦激光束能夠在TiF激光頭外進(jìn)行布線。可安裝一個可選的分束器來代替翻轉(zhuǎn)鏡，以便輸出一小部分（3%）的泵浦光，該分束器可用于激光頭外部的連續(xù)泵浦光功率和位置監(jiān)控。

       激光器的光學(xué)頭單元具有內(nèi)置PIN光電二極管，用于監(jiān)測激光器的脈沖序列，并為外部設(shè)備提供同步信號。專用SMA接口位于光學(xué)頭主體的后側(cè)。光電二極管信號應(yīng)僅饋送至具有50Ohm負(fù)載輸入和至少300 MHz模擬帶寬的儀器（例如示波器），以正確解析激光輸出的脈沖結(jié)構(gòu)。TIF-100激光器的典型光電探測器輸出信號見附錄A。

諧振腔設(shè)計：

      TiF-100對諧振腔布局進(jìn)行了建模和優(yōu)化，使其在最小空間內(nèi)達(dá)到最佳性能。最終的設(shè)計（見下圖）具有Z形、像散補(bǔ)償腔，包括兩個球形和幾個平面折疊鏡，包括端鏡（EM）、輸出耦合器（OC）鏡、鈦藍(lán)寶石晶體（Ti:S）、泵浦輻射聚焦透鏡（L）和雙棱鏡脈沖壓縮器，包括棱鏡P1、P2和狹縫（SL）。       默認(rèn)情況下，TiF-100激光器在鎖模工作模式下波長可調(diào)。它可以配備一個專用的波長選擇元件，位于激光器的輔助連續(xù)波腔臂中，允許其在連續(xù)波模式下的波長調(diào)諧能力。在后一種情況下，輔助腔臂（見圖，P1和EMC元件之間）使用雙折射Lyot濾波器（圖中的BRF）作為波長調(diào)諧元件。該濾光片由多個雙折射材料板組成，這些板彼此以特定方式定向，使得旋轉(zhuǎn)濾光片組件轉(zhuǎn)化為掃描腔模的中心波長。濾波器配有伺服電機(jī)，伺服電機(jī)可通過TiF-100軟件進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)激光器在鎖模和連續(xù)波模式下的波長調(diào)諧。有關(guān)操作模式和CW模式波長調(diào)諧切換的更多信息，請參TIF-100手冊。       激光器的鎖模結(jié)構(gòu)是通過一對棱鏡和一個光學(xué)狹縫（位于激光器主腔中）進(jìn)行波長調(diào)諧的（見圖）。這些元件在腔中提供了一個區(qū)域，在該區(qū)域鈦藍(lán)寶石發(fā)射的所有光譜成分在空間上擴(kuò)散，并且引入了與波長相關(guān)的損耗。因此，鈦寶石激光輻射的中心波長可以通過棱鏡和狹縫在水平面上的聯(lián)合運(yùn)動來調(diào)節(jié)。這種簡單而直接的方法允許在鈦寶石增益光譜的大部分范圍內(nèi)，在鎖模模式下對激光器進(jìn)行連續(xù)波長調(diào)諧，這受到腔鏡光譜特性的限制。

TIF-100內(nèi)部光路局部布局圖

Fm1–用于引導(dǎo)泵浦激光輻射的翻轉(zhuǎn)鏡（可選）Pm1，Pm2—抽運(yùn)光束路由鏡L—抽運(yùn)聚焦透鏡M1，M2—球面二向色性鏡M#–平腔折疊鏡Ti:S–Ti:Sapphire晶體棒OC–輸出耦合鏡P1，P2–棱鏡SL–狹縫EM–飛秒腔端鏡EMC–CW腔端鏡BRF–雙折射Lyot濾波器BS1、BS2–分束器窗片Rm1、Rm2–輔助布線鏡SPM–光譜儀；PD–光電二極管      TiF-100的波長調(diào)諧能力取決于所用泵浦激光器的額定功率、與泵浦激光功率匹配的OC鏡以及其他幾個因素。TiF-100的典型中心波長調(diào)諧能力在720–950 nm范圍內(nèi)。       TiF-100激光器可選配一組額外的反射鏡，以支持波長高達(dá)970 nm的激光振蕩和鎖模。附加的長波反射鏡組可以在工廠預(yù)先安裝，也可以由最終用戶現(xiàn)場安裝。       狹縫的開口寬度也可以調(diào)整，從而影響帶寬，從而影響激光脈沖的時間寬度。脈沖寬度的調(diào)諧特性取決于增益介質(zhì)材料本身的特性，以及激光腔的凈群速度色散（GVD）等腔參數(shù)。雖然不可能方便地修改鈦藍(lán)寶石材料以改變其產(chǎn)生的脈沖寬度，但可以整體調(diào)整諧振器的凈GVD。

       激光腔的光學(xué)元件引入正GVD，從而引起時域脈沖展寬。由于短脈沖與介質(zhì)非線性折射率相互作用的結(jié)果，鈦寶石晶體中的自相位調(diào)制使脈沖進(jìn)一步展寬。為了在激光輸出端獲得穩(wěn)定的脈沖序列，必須對這兩種效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。這可以通過引入負(fù)GVD來實(shí)現(xiàn)，而負(fù)GVD又可以通過使用一組棱鏡來實(shí)現(xiàn)。這使得激光器能夠在激光材料增益光譜的最佳部分產(chǎn)生<70fs、近變換限脈沖。