TIF-100鈦藍寶石飛秒激光器工作原理簡介

      摻鈦藍寶石（Ti:sapphire）是一種固態(tài)激光介質，能夠在較寬的近紅外（NIR）波長范圍內進行可調諧激光操作。由于在光譜的藍色和綠色區(qū)域具有寬的吸收帶，激光過程中的能量可由標準連續(xù)波氬離子激光器或532nm高功率二極管泵浦連續(xù)固體激光器提供。 通過選擇合適的光學器件，鎖模鈦寶石激光器可以覆蓋690nm-1080nm的波長范圍，脈沖寬度小于10fs。

           在CW連續(xù)激光泵浦源作用下，采用克爾透鏡鎖模（KLM）機制，使一定排列方式的固態(tài)鈦寶石激光器產生連續(xù)的飛秒脈沖序列。KLM機制將自聚焦效應和光闌效應結合在一起，使得激光產生的光脈沖的持續(xù)時間盡可能短。自聚焦效應導致腔模的空間強度分布發(fā)生微小變化，這取決于激光器（鈦寶石晶體本身）活性介質中光脈沖的瞬時功率。然后，通過仔細匹配腔模的空間重疊和有源介質中泵浦光的焦點區(qū)域（“軟孔徑KLM"），并另外引入靠近腔體的一個端鏡的腔內孔徑（‘硬孔徑KLM’），可以產生功率相關的腔損耗。

      由于非共振克爾非線性的準瞬時響應，而鈦寶石的增益弛豫時間較低，循環(huán)激光脈沖每次通過活性介質時都會產生快速調制。這導致了有效的被動鎖模操作，結合200nm寬的鈦藍寶石材料增益譜，支持形成持續(xù)時間小于10 fs的脈沖。脈沖寬度的精確值取決于腔內自相位調制和腔內負群延遲色散之間的臨界相互作用。

TIF-100簡介：

      Avesta公司提供基于摻鈦藍寶石的飛秒振蕩器TIF系列，可選不同泵浦功率，最高輸出3W/800nm，保證提供給用戶的激光器經過全面測試，適用于穩(wěn)定的連續(xù)克爾透鏡鎖模操作。     

      TIF-100激光器是TIF家族中常用的系列之一，典型脈寬>100fs。TiF-100激光頭集成了鈦藍寶石晶體棒和相應光學元件，構成振蕩器腔。基本激光裝置包括抽運光束鏡、折疊腔鏡、抽運光束聚焦透鏡、一對與激光棒對準的凹球面鏡、一個輸出耦合器（OC）、一組用于色散補償的棱鏡、一個作為光譜調諧元件的狹縫，輔助布線鏡系統和可選的內置光譜儀。光學頭單圖如圖所示：

      TiF-100激光頭連接端口包括：冷卻水輸入/輸出端口、直流電源輸入口、數據采集USB端口、脈沖序列監(jiān)測SMA射頻輸出端口，以及兩個用于用惰性氣體/干燥空氣吹掃連接端口。所有這些連接器端口都可以在激光光學頭的背面找到。

      TiF-100內置光譜儀，可用于獲取激光器輸出的實時光譜信息，直接顯示于配套軟件界面。激光器可通過USB端口連接PC，在TIF專用軟件上進行遠程監(jiān)測與操控。激光頭內置的電子模塊包括光譜數據解釋硬件、步進電機控制器、電子鎖模啟動器方案（啟動器）和配備USB接口的微處理器單元等。

TIF泵浦激光器：

       由于鈦寶石激光介質在可見光的藍、綠部分具有很寬的吸收帶，因此可以用多種光源進行光泵浦，包括連續(xù)氬離子激光器、高功率脈沖和連續(xù)綠光DPSS激光器以及激光二極管。保證鈦寶石泵浦激光器的輸出光束質量非常重要：其橫模必須盡可能接近TEM00。       抽運鈦寶石激光器最合適的選擇是采用二極管抽運倍頻固體Nd³⁺激光器，工作在TEM00橫模區(qū)，輸出功率在3-10W之間。這類激光器結構緊湊，可以集成到鈦藍寶石系統中，能夠在近衍射極限、高穩(wěn)定的光束中提供大于3W的輸出功率。       連續(xù)波泵浦條件下，激光作用的一個重要條件是鈦寶石發(fā)光超過腔往返損耗和非飽和活性介質增益。該增益是通過對一個精心選擇尺寸和形狀的活性介質（激光晶體）中的激光躍遷態(tài)的布局進行反轉來獲得的。 高反轉密度是由于藍寶石晶格中的Ti³⁺離子吸收泵浦輻射的結果。鈦藍寶石發(fā)光面臨的總損失（增益降低）來自反射損失（鏡面涂層和拋光表面）和鈦藍寶石晶體本身的殘余吸收。后者與晶體長度成正比，隨Ti³⁺濃度變化，一般隨濃度增加而增加。       與染料激光器的情況不同，鈦寶石激光器的泵浦光束必須與腔模在激光晶體內相對較長的距離上共線，以使KLM機制足夠強大，以支持飛秒操作。然而，使用相對低功率的DPSS泵浦激光器不可能在晶體的整個孔徑上實現足夠高的粒子數反轉密度。為了避免這個問題，需要聚焦泵浦輻射，使其與鈦寶石激光器的腔模在空間上重疊（這種技術稱為縱向泵浦）。剩余的泵浦光隨后通過第二腔聚焦鏡傾倒。默認情況下，TiF-100光學頭內安裝了一個翻轉鏡，使入射的泵浦激光束能夠在TiF激光頭外進行布線。可安裝一個可選的分束器來代替翻轉鏡，以便輸出一小部分（3%）的泵浦光，該分束器可用于激光頭外部的連續(xù)泵浦光功率和位置監(jiān)控。

       激光器的光學頭單元具有內置PIN光電二極管，用于監(jiān)測激光器的脈沖序列，并為外部設備提供同步信號。專用SMA接口位于光學頭主體的后側。光電二極管信號應僅饋送至具有50Ohm負載輸入和至少300 MHz模擬帶寬的儀器（例如示波器），以正確解析激光輸出的脈沖結構。TIF-100激光器的典型光電探測器輸出信號見附錄A。

諧振腔設計：

      TiF-100對諧振腔布局進行了建模和優(yōu)化，使其在最小空間內達到最佳性能。最終的設計（見下圖）具有Z形、像散補償腔，包括兩個球形和幾個平面折疊鏡，包括端鏡（EM）、輸出耦合器（OC）鏡、鈦藍寶石晶體（Ti:S）、泵浦輻射聚焦透鏡（L）和雙棱鏡脈沖壓縮器，包括棱鏡P1、P2和狹縫（SL）。       默認情況下，TiF-100激光器在鎖模工作模式下波長可調。它可以配備一個專用的波長選擇元件，位于激光器的輔助連續(xù)波腔臂中，允許其在連續(xù)波模式下的波長調諧能力。在后一種情況下，輔助腔臂（見圖，P1和EMC元件之間）使用雙折射Lyot濾波器（圖中的BRF）作為波長調諧元件。該濾光片由多個雙折射材料板組成，這些板彼此以特定方式定向，使得旋轉濾光片組件轉化為掃描腔模的中心波長。濾波器配有伺服電機，伺服電機可通過TiF-100軟件進行控制，從而實現激光器在鎖模和連續(xù)波模式下的波長調諧。有關操作模式和CW模式波長調諧切換的更多信息，請參TIF-100手冊。       激光器的鎖模結構是通過一對棱鏡和一個光學狹縫（位于激光器主腔中）進行波長調諧的（見圖）。這些元件在腔中提供了一個區(qū)域，在該區(qū)域鈦藍寶石發(fā)射的所有光譜成分在空間上擴散，并且引入了與波長相關的損耗。因此，鈦寶石激光輻射的中心波長可以通過棱鏡和狹縫在水平面上的聯合運動來調節(jié)。這種簡單而直接的方法允許在鈦寶石增益光譜的大部分范圍內，在鎖模模式下對激光器進行連續(xù)波長調諧，這受到腔鏡光譜特性的限制。

TIF-100內部光路局部布局圖

Fm1–用于引導泵浦激光輻射的翻轉鏡（可選）Pm1，Pm2—抽運光束路由鏡L—抽運聚焦透鏡M1，M2—球面二向色性鏡M#–平腔折疊鏡Ti:S–Ti:Sapphire晶體棒OC–輸出耦合鏡P1，P2–棱鏡SL–狹縫EM–飛秒腔端鏡EMC–CW腔端鏡BRF–雙折射Lyot濾波器BS1、BS2–分束器窗片Rm1、Rm2–輔助布線鏡SPM–光譜儀；PD–光電二極管      TiF-100的波長調諧能力取決于所用泵浦激光器的額定功率、與泵浦激光功率匹配的OC鏡以及其他幾個因素。TiF-100的典型中心波長調諧能力在720–950 nm范圍內。       TiF-100激光器可選配一組額外的反射鏡，以支持波長高達970 nm的激光振蕩和鎖模。附加的長波反射鏡組可以在工廠預先安裝，也可以由最終用戶現場安裝。       狹縫的開口寬度也可以調整，從而影響帶寬，從而影響激光脈沖的時間寬度。脈沖寬度的調諧特性取決于增益介質材料本身的特性，以及激光腔的凈群速度色散（GVD）等腔參數。雖然不可能方便地修改鈦藍寶石材料以改變其產生的脈沖寬度，但可以整體調整諧振器的凈GVD。

       激光腔的光學元件引入正GVD，從而引起時域脈沖展寬。由于短脈沖與介質非線性折射率相互作用的結果，鈦寶石晶體中的自相位調制使脈沖進一步展寬。為了在激光輸出端獲得穩(wěn)定的脈沖序列，必須對這兩種效應進行補償。這可以通過引入負GVD來實現，而負GVD又可以通過使用一組棱鏡來實現。這使得激光器能夠在激光材料增益光譜的最佳部分產生<70fs、近變換限脈沖。