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江苏激光联盟导读：
超短光脉冲目前被广泛应用于计量学、通信、光谱学、太赫兹科学、眼科学和材料加工等领域 。 本文旨在概述最重要的技术 ， 并简要讨论其潜力 。
超短光脉冲目前被广泛应用于计量学、通信、光谱学、太赫兹科学、眼科学和材料加工等领域 。 考虑到这种巨大的多样性 ， 所需的脉冲参数（如脉冲能量和持续时间、重复率和波长）分布在多维参数空间的一个巨大区域上也就不足为奇了 。
此外 ， 应用可能需要其他特性 ， 如紧凑性、多年可靠运行、能效、低冷却要求、高光束质量和低价格 。 由于这些原因 ， 超短脉冲有各种非常不同的激光源 。 本文旨在概述最重要的技术 ， 并简要讨论其潜力 。
皮秒和飞秒激光器
超短脉冲在大多数情况下是由锁模激光器产生的 。 在这里 ， 单个皮秒或飞秒脉冲 ， 或者有时是规则间隔的脉冲串 ， 在激光腔内循环（图1） 。 各种效应作用于循环脉冲 ， 但通常此类激光器在稳定状态下运行 ， 其中脉冲参数或多或少恒定 ， 或至少在每次完成腔往返后再现 。 每次脉冲击中部分传输输出耦合器反射镜时 ， 将发射一个脉冲作为有用输出 ， 输出脉冲形成一个规则间隔的脉冲序列 。
图1用SESAM被动锁模的二极管泵浦飞秒体激光器的腔设置 。 谐振器中的棱镜对用于色散补偿 。
主动和被动技术可用于强制发射此类脉冲 ， 而不是例如连续波光 。 主动锁模使用内腔调制器 ， 它定期调制损耗或相移 ， 与腔往返同步 。 虽然主动损耗调制的有限速度通常仅在数十皮秒的脉冲持续时间内才会降低 ， 但在可饱和吸收体中 ， 被动损耗调制可能会产生更短的脉冲 。 在极端情况下 ， 脉冲持续时间仅为几飞秒 。 特别是对于非常短的脉冲 ， 激光腔内的色散和非线性效应非常重要 ， 并引入了一些关键的设计问题 。
基于稀土掺杂激光晶体、玻璃或过渡金属掺杂晶体（例如Ti:sapphire）的锁模固态体激光器通常使用单个循环脉冲工作 ， 腔往返时间在1 ns到100 ns（纳秒）之间 ， 导致脉冲重复率达到数十或数百MHz 。 典型的平均输出功率约为1 W ， 这导致脉冲能量约为1至100 nJ 。
更高的能量 ， 例如几微焦耳
锁模高功率薄片激光器可以产生更高的平均功率 。 另一种策略是实现较低的脉冲重复率 ， 但这往往会导致不切实际的长激光腔和腔内的强非线性效应 。 锁模光纤激光器还可以产生皮秒或飞秒脉冲 ， 有时具有显著的波长可调谐性 ， 在大多数情况下 ， 重复频率低于100 MHz甚至10 MHz 。 通过添加复杂的谐波锁模功能 ， 也可以实现多GHz重复频率 。 其他激光增益介质允许到达其他参数区域 ， 例如 ， 来自半导体激光器的极高脉冲重复率（低脉冲能量） ， 或来自染料激光器的其他波长（例如可见光） 。 然而 ， 除了电信以外 ， 离子掺杂固态增益介质在科学和工业应用中占据主导地位 。
图2 腔倾倒皮秒激光器的设置 。
微焦耳脉冲的腔倾倒
即使使用强聚焦激光束进行微加工 ， 通常也需要比大多数锁模激光器更高的脉冲能量 ， 而较低的脉冲重复率（因此中等的平均功率）通常是可以接受的 。 这可能是一种使用腔倾倒锁模激光器的情况 ， 该激光器包含一个电控光开关（例如Pockels池和薄膜偏振器） 。 在大多数情况下 ， 空腔损耗尽可能低 ， 以便在空腔中形成强烈的脉冲 。 当重复频率为往返频率的一部分（例如100 kHz或1 MHz）时 ， 操作开关以将循环脉冲的大部分能量提取到输出 。 因此 ， 可以获得多个微焦耳 。 然而 ， 人们不应将腔转储器视为任何锁模激光器的简单附加组件；例如 ， 该装置引入的额外非线性和色散 ， 以及随时间变化的腔内脉冲能量 ， 可能会完全改变脉冲成形过程 ， 并且可能变得难以达到稳定性和很短的脉冲持续时间 。
Bulk放大器和光纤放大器
更高脉冲能量的概念上更简单的方法是在全激光重复率下放大整个输出 ， 以获得更高的平均功率（或者 ， 可以使用放置在种子激光之后的脉冲选择器降低脉冲重复率） 。 基于固态块体晶体的器件的高放大系数通常需要安排多次穿过晶体 。 （特别是对于fem-tosecond放大器 ， 单程增益相当有限 。 ）在这方面 ， 光纤放大器更简单 ， 因为它可以在单程中产生高增益 ， 并具有比大多数晶体更宽的增益带宽 。 然而 ， 在这里 ， 长光纤的色散 ， 尤其是强非线性 ， 可能会对脉冲产生严重的有害影响 ， 例如强加宽甚至脉冲破裂 。 这种效应对于短脉冲尤其强烈 ， 并且会严重限制可实现的脉冲能量 。 因此 ， 此类光纤放大器通常以高重复率运行 ， 例如数十或数百MHz ， 其强度比脉冲能量更接近平均功率 。
