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飞秒激光器的设计需要遵循哪些准则?

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非常抱歉!自从上篇文章骗了近300个关注后,由于一直忙着毕业忙着找工作,一直没有更新专栏文章,terribly sorry!这里偷懒将知乎回答放在专栏里了,我知道关注我专栏的朋友们高手如云、卧虎藏龙哈!希望大家也分享一下自己的经验~~
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在设计脉冲激光器时需要注意什么问题? – 知乎
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只能根据自己的研究范围提供一些经验和意见了。
首先,要确认你需要的激光器输出参数,然后反推你需要什么样的腔型、晶体、镜片等等。
比如你需要单脉冲能量不大,重频很高,脉冲较短,那皮秒飞秒的振荡器就足够了。什么矩阵、腔型模拟都不用算,直接照经验照文献怼~
一、振荡器
比如最基本的固体飞秒振荡器,如果要20fs左右短脉冲,就需要宽光谱,两个凹面镜腔镜的曲率半径就不能大,R=100或者R=75、50都可以,取决于你想输出的激光参数。这里需要知道一条——任何参数的追求都是有成本的,你只能根据你的需要取一个平衡。腔镜曲率半径小,则脉冲运行时的晶体内束腰半径小,好处是克尔透镜作用强烈,锁模后输出的光谱较宽;缺点是稳区边缘较窄,不太好找。稳区边缘就是看腔镜距离变化时长臂、短臂端镜上的光斑大小变化。变得超大时腔就非稳了,就没光了。锁模通常在稳区上边缘或者下边缘,这里对于脉冲或者连续光有很好的鉴别能力,脉冲损耗小出光,连续损耗大嗝屁,然后就出CW锁模了。如果连续光损耗小,则看光谱中有直流成分,调节腔镜再往非稳走一点,直流就没了。

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图1.振荡器的稳区分裂,以及端镜和OC上的光斑随稳腔参数(两凹面镜间距减去两凹面镜焦距之和)的变化。
如果需要7fs、5fs左右的短脉冲,其锁模后的光谱宽度可能达到甚至超过了荧光发射谱线,怎么搞?用输出较小的输出镜,比方说0.5%,然后因为输出小了,腔内的脉冲能流密度就强了,在强烈的克尔透镜也就是自相位调制效应下(一个是空间,一个是光谱),脉冲光谱会大大增宽,经精密的色散控制后输出亚十飞秒的输出激光。但是还要考虑像散的问题,脉冲太短时,腔内的束腰会发生移动,需要增大腔镜的折叠角提供像散,抵消晶体像散。见张志刚《飞秒激光技术》和 Xu Lin “High-powersub-10-fs Ti:sapphire oscillators” APB, 一篇Invited paper,讲的很细。Kartner手下牛人辈出啊【1-3】。
晶体的选择上,比如最基本的钛宝石固体激光器,晶体太长的话你的色散补偿不好做,因此都尽量用较短的晶体;晶体的吸收率上,用高掺杂的话可以提高功率,低掺杂的话泵光很强,克尔效应容易启动,所以最好取适中的参数。单通吸收率LPSP一般在70%。
再比如你需要低重频的振荡器,做微加工什么的,不妨选用脉冲不太短,比如50fs的,然后可以在腔内加一个望远镜超长腔,把腔长拉个几十米,重频就下来了。依然不需要算腔,用曲率半径大一点比如200mm的,晶体长一点比如7-10mm,功率高一点比如20W,但是这样就需要将晶体制冷来降低一下热透镜了。锁模不好启动,就将原短臂改造成一个凹面镜和SESAM,然后就不是单纯的克尔透镜锁模,而是根据可饱和吸收的原理启动锁模,再利用克尔透镜获得短脉冲的被动锁模了。望远镜超长腔照片:

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图2. 望远镜超长腔镜片光点分布示意(照片换成了青姐毕业论文的图,免得Femto的大哥训我)
再比如你需要高重频短脉冲振荡器,比如1GHz以上,那超短腔也够呛,就需要F-P腔滤波了。
二、放大器
你要确定你的脉宽、能量、重复频率、平均功率、光学元件损伤阈值等一系列参数,再进行合理的选择。
比如你要kHz高功率腔内倍频的纳秒光,那我也不懂。主要就是侧泵二极管、晶体、AOM选好就行了,感觉腔型没啥设计的,就是高功率,算一下热稳定性,尽量用大模场提高泵光利用率,然后根据晶体的大小进行自孔径选模。LBO什么的就是要足够长、恒温炉足够靠谱。至于镜架什么的,能用挠性形变最好,嫌贵的话就全用固定的,直接装上去甚至直接把镜片焊到外壳上去,留两个端镜和LBO可调就行了。
比如你要皮秒飞秒的放大器,那你问对人了。不过写在这儿不会影响我毕业吧!
多通没什么讲的,就是光斑控制,空间重合。玩花样不外乎自成像法和热透镜通道。就讲再生好了。
只要是高能量、高功率谐振腔,谨记两点:热稳定性、腔型失调灵敏性【4】。
上图——

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图3. 热透镜光焦度与腔失调灵敏度、晶体处激光模场大小的关系曲线
横坐标是热透镜的倒数,也就是热透镜光焦度;
左纵坐标是腔失调灵敏性,它的定义是:调节谐振腔端镜直至激光模式无法维持在泵光区域的最大角度的倒数。说人话,就是可调节的角度越大,激光腔对调节精度的要求越小,也就越容易出光。因此通常设计谐振腔时应保证灵敏度在2000/rad以下,否则普通实验者很难调节出光。
右纵坐标是不同热透镜对应的晶体内基横模直径。
通常如果要求放大效率,当然选择稳定腔,这样衍射损耗小,放大效率高,只要满足泵光、激光模式的光斑匹配就行了。如果是注入种子放大,要满足三光匹配,即泵光、激光、种子光的模体积重合。
但是高功率泵浦还有一个问题,就是光斑模式恶化的问题。我们可以选择低温制冷来控制晶体热效应,因为对于晶体而言,特别是钛宝石,温度越低则导热率越高,热效应越小。钛宝石在50K制冷下热导率堪比紫铜甚至金刚石,热透镜很小,对腔型影响就很小。但如果热效应影响较大,就要设计成热不灵敏腔,公式是dw/d φ =0,w是腔内激光半径, φ 是热透镜光焦度。也就是不管泵浦功率怎么变,腔内基模模场大小不变或者变化很小。这样就可以保证稳定的放大输出。
但是如果效率很高,则不止TEM00模起振,高阶模也会起振,这大大影响了光斑质量,我们需要剔除掉高阶模,一个有效的方法是用临界腔或者非稳腔。非稳腔对于高阶模有很好的鉴别能力。你可以搞个软件算一下,根据非稳腔的参数选镜片搭;或者直接用稳腔来算,如果钛宝石处光斑模式变得很大很大,那就接近unstable了。这时虽然不好出光,但高功率泵浦下一旦出光,光束质量杠杠的。
介绍一个时下最流行的腔型

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图4. 各大公司等共用的腔型(不算泄密吧,在做的本来就会,没做过的光看也还是不会)两个R=900mm的凹面反射镜和两个R=-1000mm的凸面反射镜构成。凹面镜和凸面镜的间距为450mm,两个凸面镜之间的间距为490mm,钛宝石晶体介于两个凸面镜正中间。好处有几个:
第一,它是一种比较接近临界腔、非稳腔的再生腔。我们知道腔型稳定与否并不意味着能否稳定起振,而只是反映谐振腔衍射损耗大小的一个判据。通常当/A+D/<2时腔内衍射损耗较小,谐振腔易于起振出光,但泵浦光功率密度较高时也容易造成腔内高阶模的起振,影响最终的放大光光斑质量。而该腔型在有泵浦光热透镜时的稳定条件接近1,会使得高阶模损耗增大,从而保证腔内只有基横模振荡。
第二,泵浦光在腔内还形成了软光阑的作用,使得放大过程中与泵光大小不匹配的模式被光阑滤掉,在较大的泵浦功率密度下具有较高的耦合效率,且腔内激光光斑大小分布并不严格依赖于泵浦光模场大小,对于高功率泵浦的小模场光斑与大能量泵浦的大模场光斑都有很好的适应能力。通常,缩小晶体上的泵光光斑大小都会起到改善光束质量的效果,因为高阶模在晶体位置处的光斑通常较大,泵光较小时高阶模获得增益较小,不易得到放大。
缺点就是由于接近非稳腔,谐振腔的衍射损耗大,指向灵敏性很高,比较难调出光,对实验人员的调腔水平要求较高。
为了协调高功率谐振腔的光斑质量以及腔失调灵敏性的矛盾,我设计了以下腔型结构的线形直腔。最终由4个反射镜和一个薄透镜组成,M4为R=900mm的凹面镜,L1为f=800mm的透镜,M1为0°平面反射镜,M2和M3为45°平面反射镜,作用仅为折叠光路,使整个再生腔的体积更小,光路更紧凑。普克尔盒靠近M1,格兰棱镜位于L1和M1之间,这是因为这里对应的激光模式近似准直光,这样就不需要特别考虑种子光的模式匹配,以及放大后输出激光的扩束准直了。整个腔长约1.6m,激光在腔内往返一次的时间间隔为10ns左右。

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图5. 含透镜的腔模可变线形直腔
不要查我论文了,论文瞎tm写的。当时小老板想用来做我们的主推产品,要我保留些关键的,于是瞎扯了一大堆废话,结果现在又不弄了。
这个腔型的核心在于选择了透镜作为腔镜。很显然,移动反射镜腔镜的时候,对镜子的角度失调要求很高——你以为你在平移,但其反射光难免会有角度变化,于是就没光了,很难连续观察;但如果腔内最核心的镜子是个透镜,则随便平移,不会改变透射光方向,很难没光,就可以连续监测腔内模式变化。
这个腔型的重点是:镜子放在使腔内放大效率最高的位置,此时腔灵敏性低,很容易调节出光,出光之后平移透镜,使基模的腔内本征模与泵光完全匹配,则光束质量较好,观察输出光斑可以看到衍射环从强到消失再变强,说明通过移动透镜可以改变腔内激光和泵光的模体积重合度,并提高输出光斑质量,抑制高阶模。这样既容易出光,又可调节光束质量,达到光束质量和放大效率的最佳平衡点。反射镜就不能这样调了。
至于算腔软件,有了最好,不要尽信。腔内影响模式分布的元素多了,比如算腔都是在假定光学元件尺寸无限大的前提下的,而实际的光学元件尺寸都有限,然后怎么算?我一直想找包含光阑的算腔软件,不过没有。比如在高功率泵浦下,

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图6. 泵光引起的相位畸变
你的泵光引起的相位畸变如图所示:假设热透镜1m,那么晶体中的热透镜效应减去1m的相位畸变后,泵光范围外会有很强烈的热透镜引起的相位畸变,这部分光根本难以在腔内往返振荡,于是泵光引起的热透镜以及增益就间接形成一个软边光阑。激光模式小于泵光效率不高,等于泵光效率最高,大于泵光则效率没有影响,而是看到一点衍射环。如果采用高斯光束的泵光泵浦,则衍射环也没有,效率棒棒的。
另外就是腔长、元件功率密度控制了。再生腔长取决于普克尔盒,比如线形腔,普克尔盒门宽最窄8ns,在四分之一波电压型再生腔中,普克尔盒通常远离钛宝石,在腔内另一端,电压的上升沿差不多小于整个腔内的往复时间即可,比如1.6m的腔长,腔内振荡一次时间约10ns,可以满足普克尔盒导入导出的需求。
飞秒再生放大器中,待放大的脉冲为经展宽器展宽后的皮秒脉冲,如通常采用的马丁内兹展宽结构展宽后的脉冲长度约150ps,而大部分光学元件的损伤阈值是按纳秒量级的激光测定的,我们知道,相同能量下脉宽越短对应的峰值功率越高,越易破坏光学元件,比如10ns下损伤阈值为6J/cm2的镜片,在150ps时损伤阈值仅为1.5J/cm2 【5】,因此在设计腔型时要让这些易损坏的光学元件(如普克尔盒、格兰棱镜、反射镜)避开激光的束腰,使元件上的光斑尽可能地大,以提高系统稳定性,延长使用寿命。
飞秒放大器中不止放大效率、稳定性、光斑质量需要注意,还有空间啁啾、增益窄化、脉冲对比度等等要求多了,当然还有色散管理。对于不同参数需求有不同的设计技巧,这些以后再谈。
==========================
参考文献:【1】Xu L, Tempea G, Poppe A, et al. High-power sub-10-fs Ti:sapphire oscillators[J]. Applied Physics B, 1997, 65(2):151-159.
【2】张志刚. 飞秒激光技术[M]. 北京: 科学出版社, 2011.
【3】 Chen L J. Design, Optimization, and Applications of Few- Cycle Ti:Sapphire Lasers[J]. Massachusetts Institute of Technology, 2012.
【4】Matras G, Huot N, Baubeau E, et al. 10 kHz water-cooled Ti :Sapphire femtosecond laser.[J]. Optics Express, 2007, 15(12):7528-36.
【5】Ding C, Xiong W, Fan T, et al. High flux coherent super-continuum soft X-ray source driven by a single-stage, 10mJ, Ti:sapphire amplifier-pumped OPA[J]. Optics Express, 2014, 22(5):6194-202.
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作者:何鹏
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编辑于 2017-05-06

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24 条评论

  • 黑皮大虎猫2017-04-23

    感觉做的东西好高级!
  • 何鹏 (作者) 回复黑皮大虎猫2017-04-23

    您过奖啦!我也只是略懂略懂~
  • 闻廉之2017-04-24

    作为一个只懂激光理论知识的初学者,太需要这种文章啦,感谢~
  • 何鹏 (作者) 回复闻廉之2017-04-24

    哈哈 其实我也是初学者,太多东西要学了
  • 何鹏 (作者) 回复闻廉之2017-04-24

    感谢赞赏(/≧▽≦/)
  • 大片2017-04-24

    作者能否就影响腔是否容易出光的因素详细的写一篇专栏文章?
  • 何鹏 (作者) 回复大片2017-04-24

    ok没问题?
  • 何鹏 (作者) 回复大片2017-04-24

    您有兴趣的话也分享一下您的经验和方法哈!我也关注您的专栏了,很有收获~
  • 知乎用户知乎用户2017-04-27
    到国家实验室干pump-probe系统去吧,IR、Visible、UV、THz、XFEL、Ultrafast Electron等光源各种混用,老有意思了~
  • 何鹏 (作者) 回复知乎用户2017-04-27

    这么爽!挺好的
    • 知乎用户知乎用户2017-04-30
      好喜欢qvq(可是你要找什么工作?激光器?光学设计?
    • 何鹏 (作者) 回复知乎用户2017-04-30

      嗯,我现在是Spectra-Physics的Sr.Field Service Engineer~ 当然做学术也可以,钱少点但有寒暑假也挺爽啊~
    • 知乎用户知乎用户回复何鹏 (作者)2017-05-02
      果然很牛啊
    • 天天向上2017-05-15

      能科普一下超快激光的放大原理吗
    • 何鹏 (作者) 回复天天向上2017-05-15

      可以,过一阵子会专门写一篇~
    • 天天向上回复何鹏 (作者)2017-05-17

      除了再生放大和多通放大 还有其他的放大方式吗
  • 知乎用户知乎用户2017-06-20
    你们是面向什么应用方向研究的啊。只知道理化所,光电院,半导体所,长光,上光
  • 何鹏 (作者) 回复知乎用户2017-06-20

    哦,我们是物理所,做阿秒光源,激光粒子加速,强场物理,泵浦探测等等。
  • 李世杰2019-03-24

    不多的文章,谢谢分享!
  • 何博,您好!最近在看一些高功率光纤激光器的文章,您能否再讲些高功率光纤混合放大中的热透镜效应该如何设计腔型呢,还有如何调整晶体,如通光长度和掺杂等等,非常感谢您!您之前的文章已经让我有了很多启发,但还是厚着脸皮求您再讲一讲了。顺便一提,我是您的小粉丝[飙泪笑][捂脸]

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