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全景视角看飞秒激光技术

在科技的浩瀚长河中，飞秒激光技术犹如一颗璀璨的明珠，以其无与伦比的时间分辨率和能量密度，揭开了自然界秘密的一角。本文希望能够为您提供一个关于飞秒激光技术的全景视角，启发未来的无限可能。
目前，产生高功率飞秒激光的主要技术手段是啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification，CPA)。根据放大增益介质的不同可分为光纤放大和固体放大，对应分为全光纤结构飞秒激光器和固体飞秒激光器。光纤飞秒激光器使用稀土（如镱Yb、铒Er、铥Tm）掺杂光纤作为增益介质，具有结构紧凑、稳定性高、成本低等优点。固体飞秒激光器使用块状晶体、板条、碟片（如Ti:sapphire、Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:CALGO等）作为增益介质，具有高峰值功率和高输出能量等优点。板条和碟片飞秒激光器基于传统固体激光器，通过对增益介质的设计有效降低了热效应，提高泵浦效率，进而提高输出能量和改善光束质量。
 
 
 

如动画方案所示，本文以基于Yb掺杂激光增益晶体的固体飞秒激光器为例介绍飞秒激光的产生过程。高功率飞秒激光产生主要包括：振荡器输出低功率飞秒种子光、脉冲选择、脉冲展宽、再生放大、行波放大和脉冲压缩6个过程。

飞秒激光是什么

在具体介绍飞秒激光的混合式产生方式之前，我们先来了解，飞秒激光是什么？

 

飞秒激光指的是脉冲持续时间在飞秒（10-15s）量级的激光，可捕捉分子振动、电子运动甚至是量子现象等超快过程，在千万亿分之一秒的时间尺度上探索基本物理现象。由于其脉冲宽度极窄、能量密度极高，在科学研究、工业、医学等领域都有着广泛的应用。

在科研领域，飞秒激光在太赫兹与阿秒激光的产生中具有重要作用，飞秒激光由于其极短脉宽以及极高峰值功率能够作为泵浦源高效激发非线性光学介质产生太赫兹辐射；同时使用载波包络相位锁定的高强度飞秒激光可以产生阿秒脉冲(1as=10-18s)，开展阿秒科学的研究。

在工业加工领域，与普通激光采用热烧蚀的加工方式不同，飞秒激光因其脉冲宽度较窄，在加工过程中与材料作用时间短，热效应较低，加工后的材料，表面平滑无碎屑；并且在透明材料加工领域由于其具有较高的峰值功率，当激光脉冲聚焦在材料内部时，可以在材料内部产生永久结构而不损伤材料表面[1]。

在医学领域，飞秒激光在多光子成像方面具有更深的穿透深度和更高的空间分辨率，为医生提供了更为精准的诊断手段[2]；同时由于飞秒激光作用过程热效应小、持续时间短等特性在眼科手术方面也有众多应用[3]。

飞秒激光的产生

&

一站式飞秒激光解决方案

 

全景视角看飞秒激光技术

图1 一站式飞秒激光解决方案展示图

 

福晶科技可为全光纤飞秒和固体飞秒激光方案提供核心元器件，尤其在固体飞秒激光领域，福晶科技可提供创新式的“一站式”飞秒激光解决方案，形成了独特的“晶体+光学+器件+方案”合作模式。本文展示的“一站式”飞秒激光方案中，包含从脉冲选择的声光调制器、再生放大中的普克尔盒、调节激光输出的光开关以及它们各自的配套驱动、各级光隔离器、再生放大和行波放大中的超快激光晶体，再到啁啾光纤布拉格光栅展宽器和透射式脉冲压缩光栅等各类光学元器件，满足客户在飞秒激光器研发、生产中的核心元器件需求。

飞秒激光的产生过程 

 

01

「种子源—输出低功率飞秒种子光」

种子光在飞秒激光器中通过锁模技术在激光谐振腔内不同模式之间引入固定的相位关系来产生。然而，由锁模振荡器输出的超短脉冲功率通常较低，无法直接满足许多应用需求，因此需要进一步放大。在2018年Veselis等人[4]利用掺铒光纤种子激光器与掺镱晶体棒放大器相结合，生成了高保真的脉冲，该研究表面通过有效的放大策略，飞秒种子激光可以实现更高的功率。

02

「声光调制器—脉冲选择」

由于电子器件的时间延迟限制，飞秒种子光通常只能通过被动锁模的方式产生。为了提取和选择满足特定条件的脉冲，进行后续的放大或其他处理，需要引入声光调制器。声光调制器能够在大光谱带宽上补偿大量的色散，同时提供高对比度的振幅整形，这对于脉冲选择至关重要[5]。

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图2 光纤耦合声光调制器

 

福晶科技设计开发了一系列AOM，最高频率可达300 MHz，上升/下降时间低至6 ns，可根据客户要求的调制速度、波长、功率、光束直径、消光比，对调制器设计进行优化，光纤末端也可根据需要配置FC/APC等接头，为客户提供最佳调制技术解决方案。

 

03

「啁啾光纤布拉格光栅展宽器—脉冲展宽」

由于飞秒激光的脉宽较窄且峰值功率极高，放大过程中容易引发非线性效应，如自聚焦和色散，可能导致脉冲畸变或器件损坏，因此为了避免这些问题，通常在放大前使用啁啾光纤布拉格光栅（Chirped Fiber Bragg Grating, CFBG）展宽器（如图3）对脉冲进行展宽[6]，从而降低脉冲的峰值功率。这种处理不仅减弱了非线性效应，还能提高系统的稳定性和放大后的平均功率及脉冲能量。展宽的脉冲通过放大链路后，还需通过反向的CFBG或者脉冲压缩衍射光栅对进行压缩，以恢复其短脉宽，实现高峰值功率的输出，适用于精密的科研和工业应用。

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图3 啁啾光纤布拉格光栅展宽器

 

04

「再生放大」

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图4 飞秒激光再生放大示意图[7]

 

再生放大作为一种激光放大方案，由于其对种子光进行多次放大的特点具有极高的增益，脉冲能量放大倍率可达106-107倍，同时谐振器的存在也能够保证输出光的基模特性，能够实现较高光束质量的激光输出[8, 9]。

 

再生放大结构主要包含：

（1）普克尔盒：通过加压与不加压调节种子光偏振态，实现对种子光输入、输出的控制；

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图5 福晶科技的BBO普克尔盒

 

福晶科技可提供不同规格要求的BBO普克尔盒。产品可适用于不同的使用环境。由于BBO普克尔盒具有低振铃效应，配合上自制驱动可实现1 MHz的重复频率。此外，我们还提供水冷型或其他特殊附件定制。

 

（2）增益介质：吸收泵浦光，在种子光通过激光晶体时提供能量增益；

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图6 福晶科技提供的Yb系列超快激光晶体

 

Yb系列超快激光晶体，如 Yb:CALGO、Yb:CaF2、Yb:KGW、Yb:YAG等，是产生超短高功率脉冲的优良增益介质。该系列晶体在 980 nm 波长附近的吸收截面大且吸收带宽，对泵浦辐射吸收效率高，能有效利用LD泵浦；其次，在近红外波段发射谱带宽，可以产生皮秒（ps）或者飞秒（ fs）级别的超短脉冲；此外该系列晶体有较高的热导率，综合以上几点优势，成为高功率二极管泵浦系统的首选材料。具有高光-光转换效率的激光放大器是半导体泵浦飞秒（fs）激光器和放大器的重要潜在应用之一。

 

（3）反射镜、PBS、波片等各类光学器件：控制光路，实现激光的输入，振荡与输出以及超快激光的色散补偿。

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图7 偏振分束器（PBS）

 

福晶科技提供各类飞秒激光色散补偿方案，比如低群延时色散(GDD)和高反射率啁啾反射镜可以有效的减小飞秒激光通过光学系统时产生的相位畸变；放置在谐振腔中的布鲁斯特棱镜可以有效补偿腔内色散。

05

「行波放大」

行波放大与再生放大相比，虽然增益较低，但因其结构简单，在激光放大技术中具有显著优势。这种放大技术通常应用于再生放大后的激光系统中，进行进一步的多级行波放大处理。行波放大的这一特性使其在处理复杂激光系统中尤为重要，尤其是在需要维持激光系统的紧凑性和高效性时。Heist等人的研究表明，通过多级行波放大可以有效地控制由克尔非线性、群速度色散和增益耗尽等因素引起的光谱展宽和脉冲压缩问题，从而在保证激光输出质量的同时，提高整体系统的性能[10]。这种放大方法的应用，为激光放大技术的发展提供了更多可能性，特别是在高精度科研和工业应用中。

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图8 法拉第旋转器 & 自由空间隔离器

 

行波放大过程的核心元器件是对激光起到放大作用的Yb掺杂激光增益晶体，此过程还需用到确保光信号的单向传输，同时抑制反向光的光隔离器。光隔离器能够有效防止回反光导致的激光器不稳定、效率降低甚至敏感组件损坏。

 

我们采用高品质的磁光晶体，具有高维尔德常数、低吸收、高消光比、低损耗等特点，产品性能卓越、可靠，M2劣化小，最高峰值隔离度高达45 dB，可接受客户定制。产品的最大工作平均功率可达500 W，波长范围355-4500 nm。

06

「透射式脉冲压缩光栅—脉冲压缩」

在脉冲展宽和压缩系统中，光栅是决定其性能的最关键部件之一。啁啾脉冲放大（CPA）技术被广泛用于产生超短激光和高能量脉冲激光，脉冲压缩光栅作为其核心元件，处于激光能量放大的终端。其原理：通过在透射光栅中进行传播，有效地抵消光束中不同频率成分的相位与时间延迟，从而实现对光脉冲的压缩并提高峰值功率。压缩光栅的带宽、衍射效率和抗激光损伤阈值决定了压缩脉冲的宽度和峰值功率。此外，当脉冲压缩光栅作用在激光系统时亦可实现波长选择和模式选择。

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图9 透射式脉冲压缩光栅

 

福晶科技生产的应用于1030 nm波长的介质膜透射式脉冲压缩光栅通过投影光刻技术和离子束刻蚀技术加工而成，不含有任何有机材料，且该产品具有生产周期短、高衍射效率、低散射、高环境稳定性、高抗损伤、高性价比等优点。该产品基底材料以具有低吸收和高稳定性的熔融石英或Zerodur材料为主，亦可按客户需求定制使用其他光学玻璃材料。福晶科技可针对本类型的产品提供从样件设计到大批量生产的全过程解决方案。

 

 

 参考文献：

 

[1] Schaffer C B, Brodeur A, García J F, et al. Micromachining bulk glass by use of femtosecond laser pulses with nanojoule energy[J]. Optics Letters, 2001,26(2):93-95.

[2] Horton N G, Wang K, Kobat D, et al. In vivo three-photon microscopy of subcortical structures within an intact mouse brain[J]. Nature Photonics, 2013,7(3):205-209.

[3] Chung S H, Mazur E. Surgical applications of femtosecond lasers[J]. Journal of Biophotonics, 2009,2(10):557-572.

[4] Veselis L, Bartulevičius T, Madeikis K, et al. Compact 20 W femtosecond laser system based on fiber laser seeder, Yb:YAG rod amplifier and chirped volume Bragg grating compressor.[J]. Optics express, 2018,26 24:31873-31879.

[5] Liao T, Zhao Q, Bo D, et al. Acousto-optic programmable ultrashort optical pulse shape modulator: SPIE/OSA/IEEE Asia Communications and Photonics[C], 2007.

[6] Strickland D, Mourou G. Compression of amplified chirped optical pulses[J]. Optics Communications, 1985,55:219-221.

[7] 石玉森, 李祖强, 潘雪, 等. 高稳定高光光效率的Yb：YAG单薄片再生放大器[J]. 中国激光, 2024,51(02):47-52.

[8] 高贯光. 被动锁模飞秒激光光纤振荡器及Yb:CALGO再生放大器研究[D]. 山东大学, 2023.

[9] 王阁阳, 白川, 麦海静, 等. Yb:CaYAlO4再生放大器[J]. 物理学报, 2023,72(05):90-99.

[10] Heist P G, Rudolph W, Werner G S. Spectral broadening and compression of femtosecond light pulses that pass through dye amplifiers.[J]. Applied optics, 1992,31 33:7059-7066.

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