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1背景介紹

自從 1965年人們利用被動(dòng)鎖模技術(shù)在紅寶石激光器上直接產(chǎn)生皮秒級(jí)超短激光脈沖以來(lái) ,超短脈沖技術(shù)的發(fā)展異常迅速。摻稀土元素光纖激光器也在 60年代出現(xiàn) ,但由于早期光纖材料的損耗很大 ,因此 , 80年代以前其進(jìn)展緩慢。進(jìn)入 80年代以后 ,由于光纖通訊技術(shù)的發(fā)展及光纖材料特別是摻稀土元素光纖材料和新的激光泵浦技術(shù)的發(fā)展 ,光纖激光技術(shù)研究受到世界各國(guó)的普遍重視 ,目前已成為激光技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)十分活躍的前沿研究方向。  

90年代初 ,光纖超短脈沖光源在光纖通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的發(fā)展 ,特別是在1. 55μm窗口 ,摻 Er3+ 光纖超短光脈沖激光器伴隨著摻Er3+ 光纖放大技術(shù)的成熟得到了很大的發(fā)展。以光纖作基質(zhì)的光纖激光器閾值低、波長(zhǎng)可調(diào)諧 ,是目前光通信領(lǐng)域的新興技術(shù) ,它支持更高的傳輸速度 ,是未來(lái)高碼率密集波分復(fù)用系統(tǒng)和相干光通信的基礎(chǔ)。其他稀土摻雜元素的光纖超短脈沖激光器在光纖通信、醫(yī)療和生物學(xué)等領(lǐng)域也具有誘人的應(yīng)用前景。 

2超短脈沖光纖激光器原理及特點(diǎn)

光纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì) ,比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有 Er、 Yb、 Nd、 Pr、 Tm、 Ho。光纖激光器由泵浦源、增益介質(zhì)、腔鏡組成。其中, LD發(fā)出的泵浦光經(jīng)光纖耦合器進(jìn)入光纖,使光纖中摻雜元素原子激發(fā)。腔鏡為二色鏡,反射輸出激光,對(duì)泵浦光增透。與固體激光器相同,光纖激光器也是根據(jù)鎖模原理產(chǎn)生短脈沖激光輸出的。光纖激光器在增益帶寬內(nèi)的大量縱模上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),當(dāng)各縱模相位同步,任意相鄰縱模相位差為常數(shù)時(shí)實(shí)現(xiàn)鎖模,諧振腔內(nèi)循環(huán)的單個(gè)脈沖經(jīng)過(guò)輸出耦合器輸出能量。根據(jù)鎖模方式不同,可分為主動(dòng)鎖模光纖激光器和被動(dòng)鎖模光纖激光器。由于主動(dòng)鎖模調(diào)制能力有限,限制了鎖模脈沖的寬度,脈沖寬度通常為ps量級(jí)。被動(dòng)鎖模或自鎖模光纖激光器是利用光纖或其它元件中的非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)鎖模的 ,激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,在一定條件下不需要插入任何調(diào)制元件就可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模工作。通常自啟動(dòng)被動(dòng)鎖模光纖激光器可以輸出 fs量級(jí)的超短脈沖由塊狀工作物質(zhì)及各種光學(xué)元件組成的傳統(tǒng)固體激光器存在體積大、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)松、可靠性差等缺點(diǎn)。而光纖激光器有以下特點(diǎn): （ 1） 增益介質(zhì)長(zhǎng) ,能方便地延長(zhǎng)增益長(zhǎng)度使抽運(yùn)光充分吸收 ,光 -光轉(zhuǎn)換效率超過(guò) 60% ; （ 2） 光纖激光器表面積/體積比大 ,其工作物質(zhì)的熱負(fù)荷相當(dāng)小 ,光纖中的場(chǎng)主要約束在纖芯內(nèi) ,使纖芯中的場(chǎng)強(qiáng)很大 ,加之光纖的低損耗又使這種高光強(qiáng)可以保持很長(zhǎng)距離,能產(chǎn)生甚高亮度和甚高峰值功率（ 140 mW /cm2）;（ 3） 易實(shí)現(xiàn)單模、單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和超短脈沖 （ fs） ; （ 4）光纖激光器體積小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作物質(zhì)為柔性介質(zhì) ,使用方便; （ 5） 激光器可在很寬光譜范圍內(nèi)（ 455～ 3 500 nm）設(shè)計(jì)與運(yùn)行 ,使光纖激光器可調(diào)。由于光纖激光器具有以上特點(diǎn) ,因此采用光纖作為振蕩器產(chǎn)生超短脈沖激光比傳統(tǒng)固體激光放大器更具優(yōu)勢(shì)。2

3短脈沖光纖激光器的應(yīng)用

飛秒激光精細(xì)材料加工

飛秒激光具有超短的脈沖寬度（10s）,很高的峰值功率（可達(dá)10w）和功率密度（10w/cm）,超微細(xì)加工是飛秒激光技術(shù)的重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

這一應(yīng)用經(jīng)過(guò)發(fā)展,已有了不少重要的進(jìn)展。飛秒激光超微細(xì)加工與*的制造技術(shù)緊密相關(guān),對(duì)某些關(guān)鍵工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展可以起到更直接的推動(dòng)作用。與傳統(tǒng)的加工用激光器如二氧化碳激光器、摻欽憶鋁石榴石等激光器相比,由于飛秒激光加工產(chǎn)生的熱影響區(qū)域非常小,能夠得到更高的加工精度。通常,按激光脈沖標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō),持續(xù)時(shí)間大于皮秒（相當(dāng)于熱傳導(dǎo)時(shí)間）的激光脈沖屬于長(zhǎng)脈沖,用它來(lái)加工材料,由于熱效應(yīng)使周?chē)牧习l(fā)生變化,從而影響加工精度。而脈沖寬度在皮秒以下的飛秒激光脈沖則擁有*的材料加工特性,脈沖時(shí)間遠(yuǎn)小于材料中受激電子通過(guò)轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化等形式的能量釋放時(shí)間從根本上避免了熱擴(kuò)散的存在和影響,沒(méi)有熱效應(yīng)、加工孔徑的熔融區(qū)很小或者沒(méi)有;可以實(shí)現(xiàn)多種材料,如金屬、半導(dǎo)體、透明材料內(nèi)部甚至生物組織等的微機(jī)械加工、雕刻;加工區(qū)域可以小于聚焦尺寸,突破衍射極限等等。飛秒激光系統(tǒng)己用于大規(guī)模集成電路芯片的光刻工藝中;用飛秒激光進(jìn)行切割,幾乎沒(méi)有熱傳遞,這種激光束能安全地切割高爆炸藥;飛秒激光能用于切割易碎的聚合物,而不改變其重要的生物化學(xué)特性。此外,醫(yī)學(xué)領(lǐng)域己將它作為超精密*刀,飛秒激光的熱影響很小,用它做*不會(huì)損傷周?chē)钠渌M織,對(duì)于心肌梗塞、眼科手術(shù)、齒科治療,飛秒激光也是理想的選擇。

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（光學(xué)相干層析技術(shù),Optical Coherence Tomography, OCT）是近十年迅速發(fā)展起來(lái)的一種成像技術(shù),OCT早是卡爾·蔡司于上世紀(jì)90年代發(fā)明的,到現(xiàn)在己有3-5代。它利用弱相干光干涉儀的基本原理,檢測(cè)生物組織或者患者病患部位不同深度層面對(duì)入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號(hào),通過(guò)掃描,可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像,圖像分辨率高可以達(dá)到到1u m,這一分辨率比其他的成像技術(shù),如核磁共振成像或超聲波CT,都要高。根據(jù)成像原理,OCT對(duì)光源的要求有幾個(gè)基本要求:

1.近紅外,使光線(xiàn)在生物組織中具有合適的穿透力,由于藍(lán)光和紫外等短波長(zhǎng)的光波在組織內(nèi)會(huì)發(fā)生較較強(qiáng)烈的散射,只能穿透表皮附近的幾百微米的厚度,所以不適合用作OCT的光源;而光波長(zhǎng)大于2500nln,水分子的共振吸收將同樣把成像深度限制在表皮下幾百微米的范圍內(nèi),所以佳的探測(cè)波長(zhǎng)在1200-1800nm范圍內(nèi);

2.短的相干長(zhǎng)度,以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率,一般來(lái)說(shuō)光譜越寬則可以獲得越高的空間分辨率和圖像對(duì)比度;但寬光譜成像需要考慮修正常色散效應(yīng)和色差的影響;3.高照度,由于生物組織的背向反射和散射信號(hào)比較微弱,因而對(duì)光源的強(qiáng)度有一定的要求,以提高圖像的信噪比。

使用的光源主要有ELED、SLD光源等。一般使用廣的是紅外波段的SLD光源,但它的相干長(zhǎng)度通常在ZOum左右,不足以達(dá)到某些高空間分辨率的應(yīng)用要求;ELED光源相干長(zhǎng)度較短,但發(fā)射光功率較低;而飛秒激光器非常適合用于作為OCT的光源,可以較好地符合上面提到的對(duì)光源的三個(gè)要求。已有關(guān)于欽藍(lán)寶石鎖模激光器和鉻鎂橄欖石鎖模激光器產(chǎn)生的飛秒激光用于OCT的光源的研究,其具有的寬光譜可以實(shí)現(xiàn)高分辨率,高脈沖功率使得快速掃描得以實(shí)現(xiàn)。然而欽藍(lán)寶石鎖模激光器價(jià)格昂貴且體積大,便攜性很差,一般只能在固定場(chǎng)合使用。工作在1.5um波段的摻餌光纖飛秒激光器具有和欽藍(lán)寶石飛秒激光器同樣的光譜和時(shí)域特性,并且更加輕便緊湊,可以彌補(bǔ)欽藍(lán)寶石鎖模激光器在便攜性方面的缺點(diǎn),但國(guó)內(nèi)外在這方面的應(yīng)用研究的報(bào)道還較少。

太赫茲波產(chǎn)生技術(shù)

太赫茲波（Terahertz從/aVe,THz）,是指頻率在0.1-10THz范圍內(nèi)的電磁波（1THz一10Hz）,其波段位于毫米波和遠(yuǎn)紅外光之間（30um-3mm）,是光子學(xué)技術(shù)與電子學(xué)技術(shù)、宏觀(guān)與微觀(guān)的過(guò)渡區(qū)域。

由于物質(zhì)在太赫茲波頻段的發(fā)射、反射和透射光譜中包含有豐富的物理和化學(xué)信息,并且太赫茲波輻射源與傳統(tǒng)光源相比,具有相干性、低能、高穿透性等*、優(yōu)異的特性,與太赫茲輻射相關(guān)的太赫茲波技術(shù)逐漸成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。它在物理、化學(xué)、天文學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,以及安全檢查、醫(yī)學(xué)成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品檢驗(yàn)、射電天文、衛(wèi)星通信和武器制導(dǎo)等應(yīng)用研究領(lǐng)域均具有巨大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。太赫茲波頻段是一個(gè)非常具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值但又尚未充分研究開(kāi)發(fā)的電磁輻射區(qū)域,早在20世紀(jì)20年代太赫茲波就引起了人們的興趣。但一直缺少高能,且廉價(jià)實(shí)用的太赫茲波段的產(chǎn)生技術(shù)和有效的檢測(cè)手段,成為限制現(xiàn)代太赫茲技術(shù)發(fā)展的主要因素,使得人們對(duì)這個(gè)頻段的電磁波特性和應(yīng)用知之甚少,形成了遠(yuǎn)紅外線(xiàn)和毫米波之間的太赫茲空白。近年來(lái),伴隨著激光技術(shù)、量子技術(shù)和化合物半導(dǎo)體、超快技術(shù)等的迅猛發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的太赫茲波發(fā)射源提供了可能。根據(jù)太赫茲波產(chǎn)生的方式以及它所處電磁波譜中的位置,太赫茲波輻射可以利用光學(xué)技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)兩種方法來(lái)產(chǎn)生。常見(jiàn)的電子技術(shù)產(chǎn)生太赫茲波的方法有加速電子產(chǎn)生法等。光學(xué)產(chǎn)生方法主要有太赫茲波氣體激光器、光整流、光電導(dǎo)以及非線(xiàn)性光學(xué)差頻等方法,其中涉及到超短脈沖激光的是光整流方法和光電導(dǎo)方法。其中光整流方法（Optical Rectification）是*利用光學(xué)手端的產(chǎn)生方法,它利用超短激光脈沖,可以產(chǎn)生寬帶亞皮秒脈沖的太赫茲輻射。光整流效應(yīng)是一種非線(xiàn)性效應(yīng),直接利用高峰值功率的飛秒激光脈沖和非線(xiàn)性介質(zhì)（如ZnTe、GaP、GaAs）相互作用,通過(guò)二階和高階非線(xiàn)性過(guò)程而產(chǎn)生低頻電極化場(chǎng),此電極化場(chǎng)在非線(xiàn)性介質(zhì)表面輻射出太赫茲輻射,太赫茲光束的能量*來(lái)自激光脈沖,轉(zhuǎn)換效率取決于激光脈沖功率、非線(xiàn)性系數(shù)和相位匹配條件。

光電導(dǎo)是另一種綜合利用電學(xué)技術(shù)和超短激光脈沖產(chǎn)生太赫茲輻射的方法。

光電導(dǎo)天線(xiàn)又稱(chēng)光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)（Photoconductive Swatch）,其基本原理是利用飛秒激光脈沖觸發(fā)直流偏置下的光電半導(dǎo)體,當(dāng)入射飛秒脈沖的光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度,光子能量被吸收,半導(dǎo)體表面瞬時(shí)產(chǎn)生大量自由電子一空穴對(duì),泵浦飛秒激光脈沖產(chǎn)生的載流子會(huì)在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生瞬間變化的電流,從而產(chǎn)生向外輻射的太赫茲輻射飛秒脈沖。泵浦脈沖在整個(gè)過(guò)程中就像一個(gè)開(kāi)關(guān),負(fù)責(zé)打開(kāi)電流,因而被稱(chēng)為光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)。影響發(fā)射性能的因素主要有半導(dǎo)體基底的選擇、光電導(dǎo)天線(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)以及泵浦激光脈沖的參數(shù)。現(xiàn)用作激光的飛秒光源有欽藍(lán)寶石鎖模激光器、鎖模光纖激光器。相比而言,鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)更為緊湊,體積相對(duì)較小,成本也較低。光電導(dǎo)產(chǎn)生的太赫茲輻射具有較高的增益。其能量主要來(lái)自天線(xiàn)上所加的偏置電場(chǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)外加電場(chǎng),只需中等強(qiáng)度的激光輸入便可獲得很強(qiáng)的太赫茲輸出。  

超短脈沖激光器直接的應(yīng)用就是作為超快光源 ,形成多種時(shí)間分辨光譜技術(shù)和泵浦 /探測(cè)技術(shù) ,作為飛秒固體激光放大器的種子光源 ,可用于光纖型光參量振蕩器與放大器系統(tǒng) ,并可使用周期性極化鈮酸鋰 （ PPLN）進(jìn)行倍頻或頻率轉(zhuǎn)換。它的發(fā)展帶動(dòng)了物理、化學(xué)、生物、材料與信息科學(xué)的研究進(jìn)入微觀(guān)超快過(guò)程領(lǐng)域。 超短脈沖光纖激光器在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)學(xué)、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

超短光脈沖發(fā)生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超高速 OTDM系統(tǒng)的必要條件之一。 發(fā)送的信號(hào)光脈沖越窄 ,單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的脈沖就越多 ,傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱蟆?模同步摻鉺光纖環(huán)形激光器溫度穩(wěn)定 ,產(chǎn)生的脈沖幾乎沒(méi)有啁啾 ,在高頻條件下 ,不需要進(jìn)行啁啾補(bǔ)償或脈沖壓縮就能產(chǎn)生 10 ps 以下的超短脈沖。