钛蓝宝石超快激光器正迎来革命性的变革

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钛蓝宝石超快激光器今朝正在始末一场革新性的革新，利用袖珍激光二极管直接泵浦，完结了超紧凑且价值正当的超快系统。

文/MingYang图1：在昔时的十年间，直接二极管泵浦的钛蓝宝石震撼器的输出功率稳步增进。自年激光器首创以来，它曾经为科学钻研和产业运用供给了史无前例的进展机缘，这重要获利于其与保守光源比拟无可比拟的上风。从此此后，激光器又在功能方面取患了庞大的提高，例真完结了更短的激光脉冲、更高的峰值强度或更高的功率。个中，超快激光器最受科学运用的追捧。钛蓝宝石激光器（Ti:sapphire）自年初次问世以来，就从来仰仗着较宽的增益带宽，雄踞着超快激光器范围的超等明星名望。40年后，也有很多其余增益介质被用于形成超短激光脉冲，但是没有一种能够挑战掺钛蓝宝石激光器能够直接从激光腔中形成6fs超短脉冲的手腕。即便是如今，钛蓝宝石超快激光器仍然是获取最短脉冲的最好抉择。钛蓝宝石会被取代吗？钛蓝宝石激光器要想成为面向各类运用的价值正当的对象，固然也面对着自己的挑战。由于钛蓝宝石的泵浦吸取位于光谱的蓝绿光地域（中间波长约为nm），是以很长一段光阴以来，泵浦源从来利用体积硕大且价值昂贵的氩离子激光器和倍频固态激光器。即日的二极管泵浦固态（DPSS）激光器，利用nm的二极管泵浦掺钕或半导体增益材料，以形成波长约nm的激光输出，尔后再倍频至nm。全部这些中间关节都须要很大的空间，况且会引入耗费、热量和光学噪声。是以，钛蓝宝石激光器每每配有一个笨重的激秃顶和一个庞大的把持单位，还得配上一台冷却器，用以消除繁杂的频次更改所形成的热量。再加之昂扬的成本（每每在10万美元左右），钛蓝宝石激光器虽然占有无可争议的功能，但它从未成为平时运用能够利用的、且对用户和睦的摆设。倘若不能降服这些束缚，那末钛蓝宝石超快激光器将仍然是一个昂贵的系统，它只对一些小众客户来说占有最好的功能。由于钛蓝宝石超快激光器在紧凑性、成本和鲁棒性方面存在的显然不够，这致使很多用户抉择了超快光纤激光器。与钛蓝宝石激光器比拟，超快光纤激光器的功能适中，占有大略fs的脉冲接连光阴和几百毫瓦的平衡功率为；但它们并非在全部运用中都是钛蓝宝石超快激光器的适宜取代品。非线性效响应有限的增益带宽，阻遏了超快光纤激光器与钛蓝宝石激光器在功能方面的比赛。那末，钛蓝宝石激光器又如安在经济性和用户和睦性方面，与光纤激光器相比赛呢？年，Roth等人演示了第一台直接二极管泵浦的超快钛蓝宝石激光器，这也让钛蓝宝石激光器范围浮现了新的转机点。[1]经过用氮化镓（GaN）激光二极管取代笨重的DPSS泵浦，钛蓝宝石激光器缓和了其在体积方面的最大不够。但是，GaN激光二极管最后的发射波长并不睬想，况且功率有限，光束品质也较差，是以这类直接二极管泵浦系统的输出功率仍然很低。在昔时的十年中，激光二极管直接泵浦的钛蓝宝石超快激光器的输出功率曾经有了稳步提拔（见图1）。人们提议了不同的主意，如波束合成或概况整形，以最大限度地升高震撼器的输出功率；[2-5]但是，其典范输出功率仍然仅略高于mW，峰值功率不超出kW。人们盼望着能以更低的成本和更紧凑的体积，完结能形成优良功率输出的超快系统。近来，奥地利Viulase公司推出了一款一体式直接二极管泵浦的钛蓝宝石超快激光器（DDPTL）系统——Tenacity。该震撼器能在80MHz的脉冲反复频次下，输出超出mW的功率，峰值功率约为kW，脉冲接连光阴小于15fs，这声明它在功能上能够与保守震撼器相比赛。别的，它还完结了史无前例的紧凑性，外貌仅比鞋盒稍大，也不须要额外的把持单位。走出实践室投入理论运用在飞秒激光震撼器的各类运用中，非线性显微成像是一项请求很高的运用，它须要光源具备顶峰值功率和低光学噪声。在与维也纳医科大学协做的一项多模成像实践中，利用了Viulase公司的直接二极管泵浦钛宝石飞秒激光器做为重要激光源。为了从样本中获取不同的消息，利用了多形式探测，囊括双光子驱策荧光（TPEF）显微镜、二次谐波形成（SHG）显微镜和关连反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微镜。在多光子显微镜中，每每将可精深调谐的飞秒激光器配置在某些特定波长，以激产生物结构中的酶或卵白质。关于CARS，须要不同驱策波长的光子。是以，在本实践中，利用单个直接二极管泵浦的飞秒激光源，供给mW、约50fs的激光脉冲（FWHM：15nm；见图2），演示了包罗多光子和CARS显微镜的繁杂成像平台。图2：基于直接二极管泵浦钛宝石激光器的多模非线性光学显微镜安设。DDPTL的输出分为两束：一束处事在nm处用做泵浦光；另一束在光子晶体光纤中展宽，并进一步强调，以在nm处形成斯托克斯光束。两个脉冲序列在时域内维持同步（见图3）。尔后，将这两个光束与二向色镜组合，并用显微镜聚焦在样本上。经过把持泵浦臂的推迟级，能够变动泵浦和探头脉冲的时差。路线中的SF57玻璃块用于把持脉冲的啁啾，以安排CARS记号。图3：泵浦和斯托克斯光束的光谱，以及多光子吸取的相对驱策带宽：倍频、双光子吸取（TPEF）和CARS。经过同步泵浦和斯托克斯光束，咱们为双光子多色驱策λν=2/(1/λ泵浦+1/λ斯托克斯）创立了对应于nm的假造波长。固然以nm和nm为中间的超快脉冲，均能够形成本人的二次谐波，但这两个光束的和频对应于nm的二次谐波。这两束光能够在样本中形成多达六种不同的记号，囊括三种不同染料的双光子驱策荧光、SHG和CARS，以猎取精深的消息。实践中胜利地对俊秀隐杆线虫和斑马鱼幼体施行了多形式成像，况且能很轻易获取兼并图象。这一请求刻薄的运用声明，DDPTL的输出功率程度和褂讪性，足以满意大多半生物成像运用的请求。是以能够安心肠假使，这些新式飞秒激光器也可用于其余运用，如太赫兹形成和探测、双光子齐集等运用。更快、更小、更高取代固态激光器并将全部摆设都调整到一个盒子巨细的封装中，可是第一步。DDPTL的潜力远远不只于此。用激光二极管泵浦，不光能够防止大概会为系统增进光学噪声的、繁杂的光频次更改，况且也能够大大升高启动电流的伺服回路带宽，以褂讪最后输出。是以，任何自动反应，比如功率褂讪和载波包络相位褂讪，均能够更快、更轻易地完结。消除频次更改关节，也象征着周全系统的散热会显著节减。更高的插座效率（wall-plugefficiency）能够利用更廉价、更小的水冷安设，乃至能利用更紧凑的空气冷却系统。这使得超快激光器能够在干净室除外的各类情状下处事。别的，跟着绿光和蓝色激光二极管的输出功率继续提拔，他日希望浮现更雄壮的直接二极管泵浦的超快激光器和直接二极管泵浦的超快强调器。咱们曾经猜测到了超快钛蓝宝石激光器的坚韧进展和光后的他日，它将会越来越多地投入更广漠的运用商场，成为每个激光光学实践室中准则的、价值正当的飞秒激光对象。它将以与鞋盒巨细相当的体积托付给客户，况且安置特别简捷，用户只要将其插入墙上的插座，便可操纵。由于这些提高，超快激光器将希望像手机同样，在咱们的糊口中无处不在。参考文件：1.P.W.Roth,A.J.Maclean,D.Burns,andA.J.Kemp,Opt.Lett.,36,2,();doi:10./ol.36.000.2.C.G.Durfeeetal.,CLEO:ScienceandInnovations,20,13,–().3.N.Sugiyama,H.Tanaka,andF.Kannari,Jpn.J.Appl.Phys.,57,5,0–4();doi:10./jjap.57..4.S.Backus,M.Kirchner,C.Durfee,M.Murnane,andH.Kapteyn,Opt.Express,25,11,();doi:10./oe.25.0.5.J.C.E.Coyle,A.J.Kemp,J.-M.Hopkins,andA.A.Lagatsky,Opt.Express,26,6,();doi:10./oe.26.00.end预览时标签不行点收录于合集#个

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