自锁模钛宝石超短脉冲激光器是一款激光器，钛宝石激光器自锁模是利用光束通过工作物质产生自聚焦效应与腔内有限孔径的结合而实现的。

自1982年掺钛蓝宝石晶体问世以来,用它作为激光介质而产生的激光器的发展十分迅速.该激光以其调谐范围宽(660一1200nm)、脉冲宽度窄(fs)、输出功率高(TW)等特点已成为迄今为止波段从红外到可见光波段性能最好的固体可调谐脉冲激光器.采用倍频技术,可使其调谐范围从近红外到紫外及真空紫外.

该激光器的最大特点是能够产生超短激光脉冲.输出脉宽由纳秒(ns)、皮秒(sP)发展到飞秒(fs)量级,目前已实现了10fs以下的脉宽3.理论上预言`钛宝石的增益线宽和有关振动系统还可将光脉冲缩短到3fs.这种超短激光脉冲具有巨大的应用前景,所以目前世界各国都投入了大量的人力、物力和财力,进行这一领域的研究工作.

自锁模(SML)技术是产生超短脉冲的重要手段.最初根据H.A.Haus的理论2,1989年Godbelt等人第一次实现了掺钛蓝宝石激光锁模5,此后,多种锁模运转相继实现,其中特别引起广泛兴趣的是利用激活介质自聚焦效应实现掺钛蓝宝石的自锁模.自锁模激光器中,介质的自聚焦与腔内光阑的结合相当于快饱和吸收体,从而获得超短脉冲.

利用自锁模技术,实现掺钛蓝宝石超短脉冲激光是激光研究领域中最具活力的研究课题.短短的几年中,已经取得了长足的进展,本文将综述该领域的最新研究进展,并进一步分析其发展趋势及应用前景.

在自锁模Ti:AL2O3。激光器中,入射到钛宝石中的光束,由于其非线性效应引起光束与光强相关的自聚焦,即激光介质中的光诱导折射率变化.自聚焦改变光束的空间分布,由于腔内光栅是损耗调制元件,光束经受一个强度相关的损耗调制.由光阑与工作物质中的克尔透镜效应一起产生等效的快饱和吸收体效应,得到自锁模(SML)运转.

1991年至1994年发展情况.初期利用腔内光栅获得ps量级脉宽;很快进一步采用正交棱镜对补偿色散获得几百fs(10)量级的脉宽,至于棱镜在腔内的插入损耗问题,则是通过以布儒斯特角切入光路来解决;尔后在同一腔内同时存在光栅和棱镜对获得十几fs量级的超短、高功率脉冲.在国外,1991年出现自锁模钛宝石激光器.输出脉宽由几百fs到十几fs;平均功率已有几百毫瓦,能量达到毫焦量级、重复率有几百千赫的Ti:saPhier激光器相继研制出来,它们有的主要考虑增宽可调谐范围,有的泵浦阑值很低,有的转换效率高,更多的是设法压缩脉宽,其中典型的有华盛顿州立大学的研究人员1992年研制出17fs脉冲的SML钛宝石激光器,打破了几年前贝尔实验室利用碰撞脉冲锁模染料激光器得到的27fs的记录`9,另外,光谱物理激光的J.D.Kafka和M.L.Wats报道了通过50fs再生锁模钛蓝宝石激光的脉冲压缩,也产生17fs脉冲’“,压缩后的平均功率在82MHz处为70mw,大大高于飞秒染料激光器短于20fs激光的水平;美国的B.rPocotr等人利用减小三阶色散获得了13fs激光脉冲;荷兰的M.5.Psheniehnikov等人从SML钛宝石激光器中亦获取13fs、SMW、重复率为ZooKHz的激光脉冲;美国的M.T.Asik等人,实现SML运转,在780nm处得到11fs脉冲激光,其输出平均功率50omw;同样,奥地利的A.tSingl等人也取得11fs的成果27.

此时,国内的自锁模钛宝石激光器发展状况是:1993年天津大学超快激光研究室经过几个月的研究,首次实现了掺钛蓝宝石自聚焦锁模运转,脉冲宽度达到518f4s,该激光器运转在较大负色散值时,可以自启动、自维持和自恢复,并处于十分稳定的锁模运转状态(振幅起伏在1%);次年,他们实现低功率泵浦Ti:1A20。自锁模激光器,当时国外文献报导实现SML的泵浦阑值功率都是在较高功率(大于5.SW)的情况下获得的,而他们可在泵浦功率2.SW时实现稳定自锁模,3.SW时获得最窄脉宽为18ofs;其后,又与香港科技大学联合,采用Ti:A12O3自锁模激光振荡器和脉冲惆啾放大技术,获得了能量为84mJ、脉宽为75fs的放大光脉冲,峰值功率达到TW(1012w)量级;同时,上海光机所将克尔透镜自聚焦、振荡参数和泵浦光参数三者结合起来考虑,自行设计了SML掺钛宝石激光器,可产生脉宽为92fs,谱宽为8.snm,平均功率20omw的激光脉冲;接着,将腔体设计合理化,正确放置光阑,使大的峰值功率在腔内将净增益变大(平均功率不变),从而获得5f0s脉宽,谱宽大于10nm的自锁模脉冲;1994年中山大学自行研制的自锁模钛宝石激光器亦获得50fs激光32.1995年到1996年,不断地获得脉宽更短、功率更高的优质光脉冲,从以前的几十fs压缩到几fs.

我国完全采用国产元件组装了Ti:A120。飞秒激光振荡器,得到脉宽为52fs的稳定输出39,并实现了较高效率的倍频;西安光机所研制出可调谐自锁模Ti:1A203激光器,最短脉冲为48fs40,平均功率为70mw的多波长脉冲序列;进一步采用4mm长的Ti:A1203晶体及一对熔石英色散棱镜,在腔内末加硬边光阑等元件的情况下获得了“平均功率560mw,中心波长774nm,宽度26fs,谱宽28nm的自锁模激光脉冲;中山大学的SML钛宝石激光器经过改进获得321gfs的压缩激光脉冲;圣地亚哥加州大学的研究人员研制出能产生几十TW峰值功率、脉冲持续时间为20fs或更短的高强度惆啾脉冲放大钛宝石激光器;维也纳研究人员发展的自锁模掺钛蓝宝石激光器用惆啾电介质反射镜在0.8μm波长附近产生了近带宽极限的8fs脉冲80MHz重复频率时能量约为nIJ,该系统用3W全谱线氢离子激光泵浦;奥地利的A.tSingl等人设计了特殊的多层反射镜用来控制因群速色散引起的频带加宽,从而获得sfs的自锁模激光脉冲.天津大学的王清月课题小组已获得4.sfs的超短激光脉3.至此,这一研究成果在本研究领域中处于国际领先水平.

自D.E.SPence等人1991年首次将自锁模技术用于钛宝石激光器,`以来,SML技术在钛宝石激光系统中获得了空前的发展,几乎每年都有超短脉冲时间的新纪录出现.然而,一旦达到只有几个fs后,就碰到根本性障碍.因此,人们为了获得更短的超短激光脉冲,就必须在紫外或者更短波长范围内进行探索,这样才有可能创造出更新的纪录.特别是由于在这个光谱区中包含着许多相干辐射源,也就是说,用可见或近可见飞秒强激光脉冲照射惰性气体时可以产生许多高次谐波,并且在这些高次谐波中,隐含着突破as界限的可能性.如果把所有产生的高次谐波的相位锁定,那么,利用这些高次谐波实现阿秒(as)脉冲激光运转有可能成为现实.

要突破阿秒量级,就必须从理论上解决以下三方面的问题:,①电离原子释放电子;②电子在强激光场中的行为;③新产生的电子与它的母离子之间的碰撞问题.在实验手段上可参照以下步骤:第一,采用目前成熟技术获得fs量级脉冲;第二,采用惆啾脉冲激光放大技术将脉冲暂时放大;第三,进行脉冲整形以消除脉冲信号的失真;第四,再压缩,采用正交棱镜对与非线性光纤联合使用的方法.

实验过程中,同时应考虑诸多因素:a提高转换效率的可能性和途径;b实验前先设计最佳腔体可以参考反射藕合法选取最佳透射率的输出藕合镜;d借助电子自旋共振谱手段鉴别出优质晶体;e激活介质掺杂浓度过高可能引起碎灭、光谱畸变或斜率效率及输出能量下降，注意改善激光光束的模式藕合与模式匹配问题.因为,自锁模时泵浦光与振荡光的藕合如果不在晶体中的最佳束腰,将得不到最大调制度和能量转换效率.只有将上述各个环节都考虑在内才有可能获得最优质的超短激光脉冲。

自锁模钛宝石激光器问世以来,由于它具有激光频谱范围宽、能够产生超短脉冲、输出功率高、工作性能稳定、结构简单以及调整方便等优点而受到人们的青睐,获得了广泛的应用.

诸如气相光解离、液相中的预解离、溶剂化学、选键化学等超快化学反应动力学;振动弛豫、电荷转移、质子转移、光谱学、医学诊断等超快脉冲技术.已实现的有,用掺钛蓝宝石飞秒激光振荡器获得的5f2s稳定输出,以高效倍频为基础发展出一种新的fs时间分辨受激发射泵浦荧光凹陷探测技术,用它观察了激光染料LDS-821的超快弛豫过程39;采用fs瞬态吸收激光光谱技术分别测量了近共振和非共振条件下的PAn团簇的光激发和弛豫过程,测量结果显示PAn团簇的量子尺寸效应导致了其具有比纯聚苯固体薄膜更快的光学响应过程;建立了亚纳秒时间分辨荧光光谱测量装置,对菠菜光系统I反应中心蛋白复合体,在不同波长激光下的时间分辨荧光光谱进行了测量,并得到了很重要的结论52;与近红外激光器相比,蓝光激光器能使存贮密度提高到4倍53,绿蓝波长可用非线性光学方法对现有Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器产生频率上转换,这种方法避开了蓝光半导体激光器潜在发展有关的基本材料制造的严重问题.将来潜在的应用可能导向于探测化学、物理和生物学中以前无法测量的现象.例如,跟踪动物脑的思维过程,得出较详细的思维过程图谱,从而可能支配动物的行动,甚至用于人脑.由于自锁模钛宝石超短脉冲激光器的脉宽处于超快科学新时间尺度的边缘,那么,总有一天人们会利用它对复杂分子中电荷转移过程等许多超快现象直接进行时间分辨.