1.以有机染料为介质的飞秒染料激光器

不同染料可输出不同波长的飞秒光脉冲,可覆盖从紫外到近红外波段,最常用的是红光620nm附近。飞秒染科激光器主要采用被动锁模。既要求增益介质在运转波长具有较大的增益,又要求作为可饱和吸收体的另一种染料在运转波长具有适当的吸收截面。两种染料的增益截面和吸收截面的适当配合才能使得脉冲前沿在经历可饱和吸收体时很快饱和,脉冲后沿能具有明显的增益饱和效应,从而使脉冲得到有效的压缩,获得比染料弛豫时间(增益介质为纳秒量级,吸收介质为皮秒量级)短得多的飞秒锁模脉冲,染料激光获得飞秒光脉冲的主要技术途径是利用两个相反方向传播的光脉冲在可饱和吸收染料中的碰撞锁模(CPM)。

2.以掺钛蓝宝石为介质的飞秒固体激光器

这种飞秒固体激光器的介质主要是以掺钛蓝宝石(Ti:Sapphire.Ti:S)、Li:SAF等固体材料。由于这种固体材料具有比染料更宽的调谐范围(如钴宝石的调谐范围为670~1060nm),更大的饱和增益通量(1J/c㎡)和更长的激光上能级寿命(微秒量级),使其在飞秒激光运转的许多特性都优于染料激光器,且光学性质稳定,结构更紧凑。飞秒固体激光器最大的突破是实现了极其稳定的自锁模(selfmode-locking)运转。在以钛宝石为代表的固体介质中,由于其非线性折射率n2所引起的Kerr-less效应·窄脉冲高峰值功率使其空间高斯光束能够比宽脉冲低蜂值功率更有效地从泵浦的激活区域中获取更大的增益,这意味着该系统将会自动地被驱向窄脉冲高峰值功率状态。具有低委时功率的脉冲前沿与后沿的自动逐渐削减和具有高瞬时功率的脉冲中部的自动逐渐增强。只要有一个偶然的微扰(如环境的振动或腔内横模的拍频)都会导致其脉冲的自动快速压缩过程。

3.以掺杂稀土元素为介质的飞秒光纤激光器

这种飞秒光纤激光器以掺杂稀土元素的SiO₂为增益介质,其主要特点是结构紧凑,效率高,损耗低,负色散。其主要工作原理是利用光纤所具有的独特性质实现孤子放大过程,光纤的非线性使在光纤芯中传输的光脉冲产生很强的自相位调制效应(SPM),又由于光纤在波长λ>1.3μm具有负色散性质,因此,光脉冲从自相位调制效应中获得的特殊性质的新的光谱成分在传输过程中又被光纤的这一负色散所补偿,使脉冲宽度不断得到压缩,最后得到飞秒激光脉冲。

飞秒脉冲激光极短的作用时间、极高的峰值功率密度,能引起材料很强的非线性效应,热扩散造成的影响很小,主要用于材料的超精细加工,透明导电体的烧蚀,石英玻璃、蓝宝石、各种光纤等透明材料的三维加工和改性,光学元件的精密加工等方面。

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