让我们聊一聊飞秒激光器的脉冲质量

• 测量结果：

我们利用APE-type2自相关仪分别测量了YactoFiber全光纤飞秒激光器^[4]和YactoCrystal固体再生激光器^[5]和的自相关结果。

YactoCrystal-10 W（测试条件  100 kHz，100 μJ，140 fs）

YactoFiber-20 W（测试条件  500 khz，40 μJ，204 fs）

*说明1：在使用该仪器测量时，出现了峰值强度未超过0.001-0.01时，右侧就显示overload报警的情况。因此在该测量过程中我们以不报警为准，进行强度衰减，这样会导致动态范围无法全部利用，部分数据可能掩藏在噪声之下。

• 量化指标：

考虑到我们和用户更关注的脉冲对比度的量化指标，我们对以上结果进行了数据处理，分别积分了±2倍自相关线半高全宽（t0）的范围作为主脉冲能量（截取范围见插入的线性坐标下的ACF，淡蓝色），而整个150 ps (2*T0，-75 ps~+75 ps)的扫描范围的总体积分作为分母，计算了两种激光器的脉冲对比度**。

固体激光器主脉冲能量占比：98.86%  （~0.85 ps for main pulse，150 ps for whole trace）

光纤激光器主脉冲能量占比：90.50%  （~1.3 ps  for main pulse， 150 ps for whole trace）

从以上数值分析和自相关曲线可以看出相对于文中Amplitude在同等能量（500 kHz，40 μJ） YactoFiber可以输出～200 fs的更高质量的脉冲，我们相信针对更低能量（例如文中10 MHz，2 μJ）的脉冲对比度会进一步增加。

**说明2：

• 主脉冲积分宽度时，我们确实碰到了定标困难的问题，以上标准是根据线性坐标下的自相关线形貌决定的（不可包含明显的旁瓣能量），我们选取了±2*FWHM ACF这个值接近于（略低于）高斯分布的±2.57*σ，即99%的能量占比。

• 分母积分范围的选取：原文选取的~-0.45 ps到+100 ps范围，根据自相关的定义，选取对称范围内的积分作为分母更为准确，尤其是当旁瓣能量占比较大时。

针对以上结果，大家可能都会有疑问，这样似乎没有利用到Type-II的高动态范围（原因参考说明1），有些信号可能在噪声之下，会不会计算的不够准确，答案是肯定的：会影响。但是这个影响不会否定我们结论的方向，因为在这个积分过程中低于噪声的信号都大概率按照噪声水平积分，而从图片中可以看出YactoFiber的次脉冲不是连续性的，而是离散出现的，也就是积分一定程度上增大了分母。同时，相较于原来方法积分一半自相关线，积分对称的自相关线的结果分母更大。

• 成因：

回到激光技术本身，我们会思考光纤飞秒激光器中分部在几十皮秒乃至百皮秒的“旁瓣”或“底座”的来源，首先需要明确一点：文中讨论的脉冲底座并不是通常我们在常规Type1自相关仪下测的结果，例如隐藏在洛伦兹拟合曲线下的“拖尾”或超出拟合曲线的“凸起” （网络图片），那些结果更多来源于高阶色散失配。

从能量占比角度来说，这些能量占比通常要比TypeII测量出的对数坐标下的拖尾要大得多，对于实际峰值功率的影响也更大一些。关于这一点，APE的自相关仪也给了一个比较好的数值型的表征，Fit MSE，通常MSE在1E-6及以下时，我们可以认为是一个更高的脉冲质量。

就论文中讨论的对比度和底座，雷博士已经准确的定位到了：非线性！是的，这是两个系统最大的差异，也是核心因素，过强的非线性会导致对比度的下降。但在我们看来，实际上非线性并不是唯一因素，如果只有非线性我们大概率拿到的就是上面两幅图的结果，更长时间尺度下的“底座”其实还受限于器件的不完美性，是与非线性耦合的结果。其实在我们拿到文献中的数据之前，在早期产品开发阶段一定程度上也是做过相关定性的推断和评估，对这个问题有过考虑和对策，但受限于测量方法的，我们的优化也是较为粗浅的，没有定量结果。进一步优化需要设计、器件、工艺和测量的共同协作迭代完成，我们也在持续推进之中，希望能在合理的成本范畴内得到更好的结果。

• 何去何从：

以上结果是不是让众多光纤飞秒激光器商家稍微安心了一些, 光纤激光器也可以获得不错的脉冲质量，不过如上述成因所言，非线性仍是这个问题的核心症结，所以大能量系统仍然不是光纤系统的优势。大几百μJ到mJ级别，固体再生方案是更好的解决方案。

回到文中的应用场景，到作用材料处的脉冲能量不到1 μJ, 在这个能量下光纤激光器是可以通过合理的设计极大程度上提高脉冲对比度的，以获得满足应用需求的飞秒脉冲的，我们的飞秒激光器在类似的应用场景下也得到了验证，如图分别展示了光波导制备和光存储的结果。

超快光谱、飞秒光纤光栅（p by p方案），光存储，双光子聚合，面板修复、金属材料切割等领域光纤飞秒激光器还是具有功率、重频、成本、体积等方面的优势。而强场物理、太赫兹（光整流）、LIBS、HHG等场景应该去往脉冲对比度更好、峰值功率更高的固体飞秒激光器。鱼与熊掌，各取所需~

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