FSL1030X1摻鐿飛秒光纖激光器

原創(chuàng) ytterbia Thorlabs索雷博

FSL1030X1摻鐿飛秒光纖激光器
µJ級能量、1~11MHz可調(diào)重頻、<220fs脈寬

借著FSL1030X1摻鐿飛秒光纖激光器推出之際，jin 天 我們回顧一下Thorlabs超快激光和多光子顯微鏡研討會的部分內(nèi)容，介紹超快脈沖的產(chǎn)生和主要參數(shù)。

從連續(xù)光到超快脈沖

理想的連續(xù)光具有確定的頻率、波長和周期，可用正弦電磁波表示。連續(xù)光只需通過一些簡單的測量就能表征。功率作為驅(qū)動非線性過程的重要參數(shù)，等于能量與時間之比。

超快脈沖可通過一系列不同波長(或頻率)的連續(xù)光合成。由于電磁場的疊加性質(zhì)，當(dāng)這些波長分量在某個時間點(diǎn)同相時，這些光波將通過干涉相長合成一個脈沖，其它時間點(diǎn)由于不同相而彼此抵消。

如果同相的連續(xù)光足夠多，它們疊加后將形成強(qiáng)度與時間的包絡(luò)，即脈沖(下圖紅色曲線所示)。這些連續(xù)光的頻譜呈現(xiàn)某種輪廓(綠色曲線)，并且決定脈沖的強(qiáng)度輪廓。頻譜寬度叫做帶寬，一般以波長或頻率表示，脈沖的持續(xù)時間叫做脈沖寬度，簡稱脈寬；兩者的乘積叫做時間帶寬積。帶寬越寬，可合成的脈寬越窄。

脈沖：時域 vs 頻域

超快光源
產(chǎn)生超快脈沖的兩種方法：激光材料和非線性轉(zhuǎn)換。

對于 di 一 種方法，下面列出了幾種超快激光材料及其波長范圍(帶寬)。摻鈦藍(lán)寶石具有很寬的帶寬，大約從700到1000 nm，既可用于產(chǎn)生帶寬極寬、脈寬極窄的脈沖，又可用于產(chǎn)生脈寬較寬的可調(diào)諧脈沖。摻鐿材料的帶寬較窄，而摻鉺材料可用于產(chǎn)生1550 nm通信脈沖。

非線性光源通常 shou 先 要用超快激光泵浦，它們具有非常寬的帶寬。光參量振蕩器(OPO)既能通過一般的帶寬提供具有超寬調(diào)諧范圍的100 fs脈沖，又能通過超寬帶寬合成極窄脈沖，比如5 fs，以此進(jìn)行 ji 端 光和物質(zhì)的相互作用。

Thorlabs光參量放大器(OPA)原理圖

脈寬定義

脈寬的常用定義是半高寬(FWHM)，也就是在峰高一半時所跨的寬度。不過有些場合也使用14%寬度或20 dB寬度。由于不同的定義會得出不同的數(shù)值，因此，采用相同的定義才能比較不同的脈沖。

除了脈寬，評價脈沖還要看質(zhì)量。比如，上圖加粗黑色曲線表示的脈沖顯然就是一個低質(zhì)量脈沖。FSL1030X1激光器發(fā)射干凈的超快脈沖，具有行業(yè) ling ，先 的>0.85時間斯特列爾比，而且旁瓣非常低。

重復(fù)頻率(重頻)

超快激光器發(fā)射脈沖串而不是單脈沖，而相鄰脈沖有 yi 定 的時間差。光纖振蕩器使用環(huán)形腔，而簡單的自由空間振蕩器基本上就是兩塊反射鏡。脈沖在腔內(nèi)振蕩，到達(dá)輸出耦合鏡時輸出一部分光，然后繼續(xù)在腔內(nèi)往返。相鄰兩脈沖到達(dá)輸出耦合鏡的時間延遲(腔內(nèi)往返時間)決定重復(fù)頻率。

光纖振蕩器示意圖

平均功率 vs 峰值功率
雖然功率只是能量和時間之比，但在描述脈沖時，能量和時間具體指什么呢？

平均功率相當(dāng)于 yi 秒 內(nèi)所有脈沖的能量。對于下面這串脈沖，整條曲線下方的面積是這 yi 秒 內(nèi)的能量。假設(shè)單脈沖能量為1 nJ，相鄰脈沖的間隔是10 ns，即重復(fù)頻率是100 MHz，所以總能量為0.1 J，而平均功率為100 mW。這相當(dāng)于Tiberius®可調(diào)諧飛秒激光打在功率探頭時測量的功率。

1 s == 10^8 pulses
1 nJ * 10^8 / 1 s = 100 mW

對于雙光子激發(fā)等非線性過程，關(guān)鍵參數(shù)是峰值功率，所以要看單脈沖。此時的能量為單脈沖能量，時間是脈沖持續(xù)時間，即脈寬。假設(shè)單脈沖能量是1 nJ，脈寬是100 fs，通過兩者相除算出峰值功率是100 kW。

測量超快脈沖的輪廓通常不能只使用光電探測器，還要使用非線性光學(xué)設(shè)備，用自己測自己：自相關(guān)。自相關(guān)儀可以測量超快脈寬，而頻率分辨光學(xué)門(FROG)可以測量更完整的脈沖信息。有趣的是，這些超快測量技術(shù)都沿用了動物名字的傳統(tǒng)。

l FROG, 青蛙

l CRAB, 螃蟹

l FISH, 魚

l SPIDER, 蜘蛛

l TADPOLE, 蝌蚪

l GRENOUILLE (French), 青蛙

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