超短脉冲的产生、放大和压缩

超短脉冲是持续时间在1 ps量级或更短的脉冲，它的产生需要多种不同激光器的协同工作。整个系统通常包含振荡器、放大器和压缩器，需要使用泵浦激光提高增益介质中的能量，还可能需要单独的种子激光。

典型超快激光系统的示意图

每一级的重频和能量为代表性数值

1. 振荡器

超快振荡器产生低能量的超短脉冲。腔内的往返增益大于损耗才能保证振荡的进行，而增益和损耗之比叫做质量因子(Q值)。腔的Q值越高，增益越高。

激光振荡器的简化示意图

产生激光脉冲的一种方法是瞬间提高Q值，让累积的能量迅速释放。这就是Q开关。电子Q开关很容易产生纳秒激光脉冲，但它的速度对于产生飞秒脉冲还不够快。产生超短脉冲的方法是锁模，使腔内尽可能最多的模式实现固定的相位关系，因此：

1. 腔内有足够大的带宽才能支持超短脉冲产生。

2. 带宽内尽可能多的模式具有锁定的相位关系。

第一点可使用掺钛蓝宝石(Ti:Sa)等宽带宽的增益介质满足。第二点中的锁模更难实现，但最终要通过腔的调制使锁模过程中的增益大于损耗。调制方法大致可分为主动和被动。主动锁模使用外部电子信号驱动调制器，以此调制腔增益，其输出脉宽相对较长，但仍能产生短至100 fs的脉冲。被动锁模直接通过光脉冲进行调制，所以开关速度快很多，可产生短至约5 fs的脉冲。

克尔透镜锁模

超快振荡器有很多种类型，其中很有代表性的一种是克尔透镜锁模振荡器。作为一种被动锁模，它便于直观地描述如何通过激光脉冲本身调制腔增益/损耗。如下图所示，它利用克尔介质的自聚焦效应，为脉冲锁模过程提高腔增益，为连续波振荡过程提高腔损耗。

克尔透镜锁模基本原理

低强度连续光被阻挡，高强度脉冲光自聚焦

当振荡器产生足够短的脉冲时，脉冲强度必然更高。这些高强度脉冲在克尔增益介质中形成很强的瞬时透镜效应，使脉冲自聚焦并通过后面的光阑。未产生强脉冲(或产生连续光)的激发路径无法形成自聚焦，随后被光阑阻挡而经历高损耗。因此，克尔透镜锁模振荡器将优先产生超短脉冲。反过来，如果发射连续光或短脉冲，这意味着锁模效果不好。

实际使用的另一种方法是通过纳秒脉冲泵浦增益介质，以此形成一种伪光阑。泵浦光束可聚焦在晶体中，使得只有高强度的克尔透镜光束(超短脉冲)才能与泵浦光高度重合，由此实现高增益并产生稳定的超短脉冲串。这种方法比物理光阑更常用，但基本原理是相同的。另外，腔内还常用压缩器补偿每次往返累积的GDD。

OCTavius® 8 fs激光器及其自相关和内部图

2. 放大器

激光放大过程通过增益介质将泵浦激光能量转移到微弱的种子激光中。超快放大器的种子激光来自振荡器的输出，而泵浦激光一般是纳秒激光，其光子能量等于增益介质泵浦带和基态的能量差，因此可被增益介质高效地吸收。Ti:Sa激光器的泵浦光波长为532 nm，因此工作时在内部能见到明亮的绿光。

超短脉冲放大附加的复杂性在于以极短的时间传递能量，因此峰值功率很容易达到100 TW量级。这么高的功率很容易在增益介质中导致有害的效应，即使不损伤或毁坏。这个问题的解决方法之一是使用啁啾脉冲放大(CPA)。

啁啾脉冲放大(CPA)

CPA先展宽再放大。脉宽越长，峰值功率越低，增益介质越不容易受损伤。展宽后的不同波长分量之间产生时间延迟，这就是啁啾。展宽的啁啾脉冲可通过增益介质安全地放大，最后将放大的高能量脉冲重新压缩成超短脉冲。这个过程如下图所示。

为什么没有展宽的脉冲光强足以损伤增益介质，但重新压缩后不会损伤反射镜和其它光学元件呢？第一，反射式光学元件远不如激光晶体等透射光学元件那么容易受损伤，所以外部反射镜和光栅受损伤的可能性低很多。第二，增益介质中的光束束腰非常小。在激光器全功率光束被完全聚焦和压缩后，绝大部分光学元件都无法承受。在很多高能量超快激光系统中，输出束腰相对较大，以此减弱这种效应。

再生放大器

再生放大器常用于放大Ti:Sa激光。在泵浦激光提高增益介质的能量后，种子脉冲多次通过增益介质并提取尽可能大的能量，以此实现尽可能高的增益。使种子脉冲多次通过增益介质的方法主要有两种。

第一是把增益介质放在共振腔内。下图简要地展示了再生放大过程。为了提取增益介质中尽可能所有的能量，种子激光通常需要在腔内往返10到20次。再生放大需要在特定时间注入种子脉冲。脉冲往返时间在数纳秒范围，因此可通过电子控制脉冲的注入或输出。

再生放大的基本过程

一种再生放大器装置(RP-photonics)

普克尔盒、1/4波片和TFP薄膜偏振片构成光开关

第二是直接用多个反射镜使脉冲多次通过增益介质。这种结构一般叫做多通放大器。

两种放大器各有优劣。多通放大器不需要电子驱动控制，但细微的角度调节和对准比较困难，而且脉冲一般无法以相同的次数通过增益介质。电光门控制的再生放大器能提供更高的整体增益，但它包含较厚的玻璃，使得再生腔的色散一般远大于多通结构。如果要求非常短的输出脉宽，多通可能是更适合的方案。有些激光系统则组合使用再生前置放大器和多通功率放大器，比如下图所示的日本SACLA自由电子激光设施中的飞秒激光系统。

Appl. Sci. 2020, 10(21), 7934;
https://doi.org/10.3390/app10217934

3. 压缩器

两种常用的压缩器分别使用光栅和棱镜配置。

光栅和棱镜压缩器

在光栅压缩器中，蓝光分量传播距离更短，长波分量传播距离更长，使脉冲产生负的群延迟色散(GDD)。在棱镜压缩器中，红光分量更靠近底边，在棱镜中的传播距离更长，而蓝光分量更靠近顶点，在棱镜中的传播距离更短。因此，红光经历更大的材料色散，在时间上延迟于蓝光，使得蓝光能追上红光。

光栅压缩器产生的负GDD一般大于棱镜压缩器，但价格更贵且透过率一般更低。棱镜压缩器能以布儒斯特角配置提供高很多的透过率，但经常无法承受很高的输入功率。因此，啁啾脉冲放大器后端几乎总是使用光栅压缩器。Thorlabs提供FSPC飞秒脉冲压缩器、色散棱镜对以及多种光栅，包括透射式体相位全息光栅。

第三种压缩器使用啁啾镜，通过每次反射产生一定的负GDD，一般在-50 fs²量级。使用啁啾镜的一种策略是超额产生负啁啾，然后通过一对玻璃光楔进行精细优化(增加正GDD)，以此实现最佳的脉冲压缩。啁啾镜的优势是宽带宽内有效控制高阶色散。

UMC10-15FS每次反射补偿通过1.5 mm石英导致的色散

关于上述压缩器还有两个注意点。第一，它们都不能补偿三阶色散，为此可使用光栅棱镜(GRISM)或脉冲整形器。第二，压缩器也能反过来引入正GDD，以此补偿负啁啾脉冲，或者用作脉冲展宽器，不够这在多数情况下要额外加入聚焦元件。

其它压缩策略

红外脉冲直接通过某些材料就能产生负GDD。比如，BK7玻璃能使大于1300 nm的波长产生负GDD。对于可见光/近红外波长，一种有用的技术是通过材料色散增加正GDD。如果已用压缩器或啁啾镜增加脉冲的负GDD，可将其通过一定厚度的玻璃进行压缩，比如通过薄的玻璃光楔，这样可精细地控制材料色散。

最后是色散预补偿问题。如果激光系统输出变换极限的超短脉冲，它们在传播时通常会累积正GDD，变成正啁啾脉冲。一种简单的补偿方法是在激光系统中用压缩器预先将脉冲变成负啁啾脉冲，这样刚好抵消传播时累积的正啁啾，在达到实验样品时刚好恢复变换极限脉冲。

FSPC预补偿(-12500~0 fs²)应用原理

光参量放大器(OPA)

在OPA中，非线性晶体增益介质不存储能量。信号光和泵浦光在晶体中混频，以此放大信号光并额外产生闲频光。下面灰色方框中展示了一种典型的OPA结构。

OPA的泵浦光一般来自其它激光系统的输出，比如Ti:Sa激光器的800 nm输出。对于光谱学应用，OPA的真正优势在于宽调谐范围，但这要通过泵浦光产生可调谐信号光。一种常用方法是用一小部分泵浦光驱动白光产生过程。白光经过准直后进入放大器，在非线性晶体中和另一部分泵浦光重合。白光和泵浦脉冲的时间重合以及晶体的相位匹配角都可根据特定波长进行调节。这就是OPA的可调谐工作原理。对于800 nm泵浦的OPA，直接输出波长一般可在1100 nm到2600 nm之间进行调谐。

OPA系统还可能包含外部混频单元，通过电动位移台控制非线性晶体，进一步拓展调谐范围。信号光、闲频光和残留泵浦光的混频能产生更多不同波长的光，以此将Ti:Sa激光泵浦OPA的波长拓展到紫外或红外。