一種飛秒激光振蕩器的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于超快激光領域，涉及一種鈦寶石飛秒激光器。
【背景技術】
[0002]飛秒激光是過去20年間由激光科學發展起來的最強有力的新工具之一。飛秒脈沖是如此的短，目前已經達到了4fs以內。I飛秒(fs)，S卩10—15s，僅僅是I千萬億分之一秒，如果將1fs作為幾何平均來衡量宇宙，其壽命僅不過Imin而已；飛秒脈沖又是如此之強，采用多級啁啾脈沖放大(CPA)技術獲得的最大脈沖峰值功率可達到百太瓦(TW，即112W)甚至拍瓦(PW，S卩115W)量級，其可聚焦強度比將太陽輻射到地球上的全部光聚焦成針尖般大小后的能量密度還要高。飛秒激光完全是人類創造的奇跡。
[0003]近二十年來，從染料激光器到克爾透鏡鎖模的鈦寶石飛秒激光器，以及后來的二極管栗浦的全固態飛秒激光器和飛秒光纖激光器，雖然說脈沖寬度和能量的記錄在不斷刷新，但最大進展莫過于獲得超飛秒脈沖變得輕而易舉了。桑迪亞國家實驗室的R.Trebino說:“過去10年中，(超快)技術已有顯著改善，鈦藍寶石激光器和現在的光纖激光器正在使這種(飛秒)激光器的運轉變得簡潔和穩定。這種激光器現在人們已可買到，而10年前，你卻必須自己建立。”
[0004]根據飛秒激光超短和超強的特點，大體上可以將應用研究領域分成超快瞬態現象的研究和超強現象的研究。它們都是隨著激光脈沖寬度的縮短和脈沖能量的增加而不斷的得以深入和發展。飛秒脈沖激光的最直接應用是人們利用它作為光源，形成多種時間分辨光譜技術和栗浦/探測技術。它的發展直接帶動物理、化學、生物、材料與信息科學的研究進入微觀超快過程領域，并開創了一些全新的研究領域，如飛秒化學、量子控制化學、半導體相干光譜等。飛秒脈沖激光與納米顯微術的結合，使人們可以研究半導體的納米結構(量子線、量子點和納米晶體)中的載流子動力學。在生物學方面，人們正在利用飛秒激光技術所提供的差異吸收光譜、栗浦/探測技術，研究光合作用反應中心的傳能、轉能與電荷分離過程。超短脈沖激光還被應用于信息的傳輸、處理與存貯方面。
[0005]第一臺利用啁啾脈沖放大技術實現的臺式太瓦激光的成功運轉始于1988年，這一成果標志著在實驗室內飛秒超強及超高強光物理研究的開始。在這一領域研究中，由于超短激光場的作用已相當于或者大大超過原子中電子所受到的束縛場，微擾論已不能成立，新的理論處理有待于發展。在102()W/Cm2的光強下，可以實現模擬天體物理現象的研究。1019-1021W/cm2的超高強激光產生的熱電子(200keV<E<lMEV)可以加熱大量離子而引發核聚變。這種慣性約束核聚變(ICF)快點火概念的最終實現將為國家安全和能源利用做出不可估量的貢獻。
[0006]飛秒激光的另一個重要的應用就是微精細加工。通常，按激光脈沖標準來說，持續時間大于1皮秒(相當于熱傳導時間)的激光脈沖屬于長脈沖，用它來加工材料，由于熱效應使周圍材料發生變化，從而影響加工精度。而脈沖寬度只有幾千萬億分之一秒的飛秒激光脈沖則擁有獨特的材料加工特性，如加工孔徑的熔融區很小或者沒有;可以實現多種材料，如金屬、半導體、透明材料內部甚至生物組織等的微機械加工、雕刻;加工區域可以小于聚焦尺寸，突破衍射極限等等。一些汽車制造廠和重型設備加工廠目前正研究用飛秒激光加工更好的發動機噴油嘴。使用超短脈沖激光，可在金屬上打出幾百納米寬的小孔。在最近于奧蘭多舉行的美國光學學會會議上，IBM公司的海特說，IBM已將一種飛秒激光系統用于大規模集成電路芯片的光刻工藝中。用飛秒激光進行切割，幾乎沒有熱傳遞。美國勞倫斯.利弗莫爾國家實驗室的研究人員發現，這種激光束能安全地切割高爆炸藥。該實驗室的洛斯克說:“飛秒激光有希望作為一種冷處理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮彈及其他武器。”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特性。生物醫學專家已將它作為超精密外科手術刀，用于視力矯正手術，既能減少組織損傷又不會留下手術后遺癥，甚至可對單個細胞動精密手術或者用于基因療法。目前人們還在研究如何將飛秒激光用于牙科治療。有科學家發現，利用超短脈沖激光能去掉牙的一小塊，而不影響周圍的物質。我們相信，隨著超短脈沖激光技術的進一步發展以及具有高可靠性的商用飛秒激光器的進一步完善，飛秒激光一定會在更多領域獲得更為廣泛的應用。
[0007]目前最常用的就是鈦寶石飛秒激光器，其原理主要為摻鈦藍寶石的自鎖模效應，摻鈦藍寶石激光的自鎖模現象是由蘇格蘭的Spence等人于1990年發現的，該技術的問世可以說是完全翻開了超短脈沖激光研究的全新篇章，與傳統的主動鎖模及被動鎖模不同的是，對于某些含有強克爾效應介質的激光振蕩器，在特定的腔型結構下，無需采用任何外加的調制或飽和吸收體，即可實現穩定的鎖模運轉，這種簡單的結構與具有超寬調諧帶寬的摻鈦藍寶石激光相結合，已成為當前超短脈沖激光發展的主流，并已直接產生了短于5&的光脈沖。
[0008]目前這種鎖模技術所依賴的基本原理普遍認為是由于固體增益介質在強聚焦栗浦下所形成的克爾效應所致，我們知道，在非均勻光作用下，由于克爾效應，介質的折射率由下式表述:
[0009]n(r) =no+n2l (r)
[0010]其中no為與光強無關的靜態折射率，n2為克爾系數，I(r)為光強分布，這樣在栗浦光及振蕩光的作用下，介質的折射率分布將沿徑向發生變化，增益介質等價為一自聚焦透鏡，當振蕩激光通過該介質時，較強的光與較弱的光表現為兩套不同的聚焦形式，其在腔內各處也表現為不同的光束尺寸，這樣如果在腔內某處加一尺寸合適的硬邊光欄，使得較強光由于強聚焦引起的傳輸光束正好通過該光欄，而較弱光的弱聚焦引起的傳輸光束不能通過，則系統等價于一快速飽和吸收體，激光經過多次往返振蕩達到動態平衡后，穩定的自鎖模過程也就建立起來了。進一步的研究表明，在一定的腔型結構下，具有自聚焦效應的激光晶體中也存在著類似光欄的栗浦光-振蕩光相互分布，這種機理通常也稱為軟邊光欄，軟邊光欄技術使得自鎖模激光結構更加簡單，鎖模調節也更為方便。
[0011]現在常用的鎖模技術均是在振蕩腔內進行，或者在腔內插入聲光調制器，或者推動腔鏡、棱鏡，或者在腔內插入光闌進行。不論哪種方式，均因為在腔內進行，會造成腔的不穩定或者在腔內引入損耗、色散，對飛秒激光的脈沖寬度或者輸出穩定性產生影響。本發明正是針對上述問題提出的一種飛秒激光器，可以通過新型的鎖模裝置，提高飛秒激光器的穩定性，縮短脈沖寬度。
【發明內容】
[0012]本發明的目的在于克服現有鈦寶石飛秒激光鎖模裝置的缺點，提供一種新型的鎖模裝置，提高飛秒激光器的穩定性，縮短脈沖寬度。
[0013]本發明的飛秒激光振蕩器，包含一臺532nm栗浦光、一塊鈦寶石晶體、一套激光諧振腔及一套色散補償元件等幾個部分組成，532nm的栗浦光經過栗浦光導入裝置照射到鈦寶石晶體上，產生受激輻射，受激輻射的光在激光諧振腔內來回振蕩得到放大，并輸出連續光，色散補償元件放置在諧振腔內補償輸出激光在諧振腔內振蕩所產生的色散以達到鎖模條件，其中本激光器的擾動鎖模方式采用腔外反回光的形式來實現，將出射的連續光部分的反射回到飛秒激光器內，從而達到鎖模，實現飛秒脈沖的輸出。
[0014]腔外反回光可以通過鏡面反射來實現，反回光點易于調節且整個裝置可以放置在遠離激光出口處。
[0015]腔外反回光