能量小了切不动，能量大了就烧糊……飞秒激光器你怎么啦

虽然有的国产飞秒激光器的脉冲能量、脉宽指标和国外的一样，如果用自相关器检查，可能会发现脉冲在时域上有很大的“底座”或旁瓣，如图1。就好像在一个皮秒脉冲上，叠加了一个飞秒脉冲。脉冲能量虽然和其他激光器一样，脉宽也一样，其实脉冲能量并没有集中在主脉冲上，而是一部分分散在了“底座”上。

图1 飞秒脉冲自相关图形。测量的与傅里叶变换受限脉冲比较。注意，此例中，傅里叶变换受限脉冲也有很大“底座”

有人发明了一个Q参数，定义是主脉冲能量占整个脉冲能量的比值。当然，实际脉冲的形状很难测出，也就可以用自相关曲线代替。所谓主脉冲，也可以用拟合的脉冲形状代替，例如高斯型，Q1，说明脉冲的能量都在主脉冲上，而没有“底座”，如图2。这样加工效果就会比较好。如果脉冲Q<1，例如小于90%，如图3所示，就说明脉冲能量并没有集中在主脉冲上。就会出现前面说的打不动，或者烧糊现象。

图2 脉冲质量Q>98%

图3 脉冲质量Q<90%

为什么会有这种情况呢？

首先要检查一下脉冲光谱的形状。如果脉冲光谱形状接近高斯或者双曲正割等理想形状，其傅里叶变换受限脉冲就不会太差；如果光谱形状接近方形，或者两边尖尖，傅里叶变换后也会有较大旁瓣。即使色散补偿得好，也消除不了。就像图1中的情况。

其次就是色散补偿问题了。展宽器和压缩器，一般都是匹配好的，即展宽器和压缩器配对时，要考虑放大器的色散。如果是光纤放大器，材料色散是非常大的，而且三阶色散在1 μm左右是正的。需要在设计的时候就要考虑好。例如购买光纤光栅展宽器时就需要算好斜率，即三阶色散对二阶色散的比值，加上光纤放大器的，是否和压缩器一样。如果一致，就可能在放大后压缩成较好的形状。如果三阶色散和二阶色散都补偿好了，还有“底座”或旁瓣，可能需要考虑高阶色散，或非线性相移了。

第三就是要检查一下放大器的非线性。如果脉冲的能量过高，脉冲展宽得不够，累积的非线性相移超过了π，就不太容易被光栅对压缩掉，也会留下较大的“底座”或旁瓣。图4中显示了非线性相移对脉冲形状的影响。超过了π，旁瓣就很明显了。

图4 非线性相移和脉冲自相关形状的模拟。同样脉冲能量下，非线性相移超过π，脉冲显示很大旁瓣，峰值也会下降很多。

最后，脉冲的空间质量也是应该检验的。那就是看M²是否接近于1。

这里不是说国产的激光器都不好，进口的激光器都好。而是说，如果出现了异常情况，要做以上分析。或者在购买之前，就要详细了解一下脉冲光谱和脉冲时域和空间质量的问题。