性能优异、可靠而灵活的钛宝石超快激光放大器

1、性能优异、可靠而灵活的钛宝石超快激光放大器    作者：Daniel-SteveFournier，SteveButcher；CoherentInc.钛宝石和超快激光器的诞生激光器自1960年发明以来，已成为科学研究与工业应用的重要工具之一。1986年，为获得比染料激光器操作更简便的宽可调谐激光光源，以掺钛蓝宝石（钛宝石，Ti:S）为增益介质的固体激光器应运而生。上个世纪90年代初，随着克尔透镜锁模（KLM）钛宝石超快振荡器的诞生，产生100fs左右的超短脉冲变得非常方便，从而开创了超快研究的新时代。随后几年中，    作者：

2、Daniel-Steve Fournier，Steve Butcher；CoherentInc.     钛宝石和超快激光器的诞生    激光器自1960年发明以来，已成为科学研究与工业应用的重要工具之一。1986年，为获得比染料激光器操作更简便的宽可调谐激光光源，以掺钛蓝宝石（钛宝石，Ti:S）为增益介质的固体激光器应运而生。上个世纪90年代初，随着克尔透镜锁模（KLM）钛宝石超快振荡器的诞生，产生100fs左右的超短脉冲变得非常方便，从而开创了超快研究的新时代。随后几年中，基于钛宝石的超快啁啾放大器（CPA）也满足了日益

3、增长的对高脉冲能量的需求。由于具有增益带宽宽、热导性能好、光学和机械性能优异等特点，钛宝石已成为超快激光器和可调谐激光器的首选增益介质。钛宝石超快激光器普及的另外一个重要原因是，人们很容易找到合适的固体泵浦激光器，目前连续和脉冲钛宝石激光器都采用以掺钕材料为增益介质的倍频激光器泵浦。     据估计，由于亚洲地区的经济增长强劲，目前亚洲钛宝石超快激光器市场大约已经占到了全球市场的25。     应用驱动的超快激光技术：最新趋势    在过去的十年中，市场需求推动着商业化超快激光器的研制

4、与发展。用于前沿科学研究的超快激光器中，振荡器的典型输出为：脉冲宽度10fs10ps、脉冲能量120nJ、重复频率7090MHz。这些振荡器被用于多光子显微（MPE）、太赫兹（THz）光谱与成像、超快光谱学，以及作为超快放大器的种子光源。通过对振荡器输出的放大，可以获得更高的脉冲能量。最常见的是基于CPA原理的超快放大器，它可以避免在放大过程中损坏光学元件，同时将放大后的脉冲宽度保持在很短的水平。     商业化超快放大器可分为几种不同类型。需要高工作速度的应用领域，如一些液相和固相超快光谱研究、超快微加工和相应的OPA泵浦，适合采用连续固体激光器泵浦的

5、高重复频率再生放大器。例如，Coherent公司的RegA 9050放大器，采用Verdi连续DPSS激光器作为泵浦源，可以输出高达10J的脉冲能量、高达300kHz的重复频率，以及低至40fs的脉冲宽度。     为了获得更高的脉冲能量，钛宝石放大器必须设计为重复频率更低、泵浦强度更高，以避免放大器中热效应的限制。使用重复频率为110kHz的脉冲固体激光器泵浦，放大器一般可以在800nm波长处获得17mJ的脉冲能量。     对钛宝石晶体进行低温冷却，可以显著降低热效应，从而在相似重复频率下（最高20kHz）获得

6、更高的脉冲能量（最高20mJ）。例如，Coherent公司的Legend Elite Cryo系统（见图1）就是在再生放大器输出之后，增加一级低温冷却的多通功率放大器。     上述输出脉冲能量在毫焦（mJ）量级的超快放大器常用于超快光谱、OPA泵浦、微加工等应用领域，最新的科研方向，如高次谐波产生、阿秒物理、太赫兹波产生等应用，则要求更高的脉冲能量和更短的脉冲宽度。    对于要求更高脉冲能量的应用，主要是等离子体物理、X射线产生、强场物理和军事应用，商用钛宝石放大器可提供几十毫焦到几焦的能量输出，不过重复频率要更低（单次

7、到10Hz）。这类放大器一般采用调Q的低重频Nd:YAG激光器泵浦。     千赫兹（110kHz）超快放大器的典型配置    目前市场上销售的大部分超快放大器的输出在110mJ、110kHz范围内，未来的发展趋势是向更高的脉冲能量和更短的脉冲宽度发展，从而对超快振荡器和放大器的设计提出了新的要求。     构建一个可靠且高效的短脉冲钛宝石CPA千赫兹超快放大器，必须从一个非常稳定的宽带钛宝石锁模振荡器开始，尤其是采用内置泵浦源的一体化振荡器，这可以确保高度的稳定性与操作简便性。商业化

8、振荡器设计中常用的色散补偿技术有两种：一种基于棱镜对，能获得高度的灵活性，这种技术采用得比较多；另一种基于啁啾镜，只提供作为放大器种子源所需的宽带宽， ，但获得的灵活性不高。     在最简单的放大器配置中，振荡器输出的脉冲在展宽器中进行正啁啾，在再生放大器（RGA）或多通放大器（MPA）中放大，然后通过压缩器压窄脉宽（见图2）。过去，这样一套放大器系统需要占据整个实验室，并且要几个专家来搭建、维护和操作。而现在，商业化高能量放大器仅仅需要一张光学平台的部分面积以及很少的维护，并且学生或激光经验有限的生产人员都可使用。超快放大器系统本身已经不再是人们关注

9、的研究对象，而是可靠的研究工具（见图3）。     虽然现在仍然有少数制造商采用多通放大器设计，但是再生放大器最为常见，因为它在光束质量、能量稳定性和指向稳定性等方面均有明显优势。图4显示了再生放大器和多通放大器的设计与光束质量比较。           脉冲能量不同的kHz放大器，需要对钛宝石晶体进行不同方式的冷却。Coherent公司的Legend Elite放大器系列产品中，脉冲能量<2mJ的采用水冷，脉冲能量在27mJ之间的则采用简便

10、有效的热电致冷（TEC），以保持放大后的光束质量、稳定性和脉冲宽度。同时，Coherent对晶体的封装、再生放大器谐振腔、展宽/压缩器以及放大器平台都进行了细致的设计，通过内置泵浦激光器、再生腔温度稳定等措施获得了高效率（泵浦转换效率接近35）、高稳定性、结构紧凑的优异性能（见图5）。     超快激光系统：全套商业化解决方案    过去，几乎所有的超快激光放大器的创新都来自科研院所。近年来，大量公司对研发投入的增加以及在产品改进方面的努力，加速了技术转移与新产品开发，这也使很多公司能为日趋高端的应用提供完整的商业化解决方案

11、。最新的应用包括阿秒物理中的载波包络相位（CEP）稳定、脉冲整形和优化中的振幅和相位调制、超快光谱研究中的多个OPA泵浦、粒子加速器设施中的脉冲同步等等。同时，多种商业化激光检测设备，包括单次自相关仪、相位分析器、光束质量分析仪、功率和能量计等，也都大大提高了用户的工作效率。     正如激光器设计正向着一体化方向发展一样，选择能提供完整解决方案的设备提供商，可以为用户的超快放大器系统的所有部件提供更加灵活的设计以及高效而全面的技术支持。图6显示的是Coherent公司的垂直集成超快产品线。     选择超快放大器：系统灵活性有利于长期科研设备利用率，是超快激光系统性价比的关键因素    当客户选择钛宝石激光器时，应该着重考虑以下几个因素： 技术指标 稳定性和可靠性 操作与维护的简便性 子系统（泵浦、振荡器、放大器、谐波与OPA、脉冲整形器等）集成度 模块化与扩展性（升级选择） 售后服务水平与支持网络 性能/价格比    商用客户在选择高功率超快放大器系统时，一般选择操作方便的全集成系统