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1、2008年4月长治学院学报Apr.,2008第25卷第2期JournalofChangzhiUniversityVol.25,No.2飞秒钛宝石激光器的工作原理研究王志军,逯美红(长治学院电子信息与物理系,山西长治046011)摘要:飞秒激光是一种持续时间极短(10-15s),峰值功率高的以脉冲形式运转的激光。它不仅能使人们获得超短时间的分辨能力,同时,由于它的高峰值功率,使它在各个领域都得到了广泛的应用。飞秒钛宝石激光器包括飞秒激光振荡器和飞秒激光放大器两部分,是目前能产生飞秒量级脉冲的应用最广泛的激光器。它通过钛宝石的自锁模原
2、理,并采用世界上先进的啁啾脉冲放大(CPA)技术,已能直接产生零点几个飞秒、峰值功率达太瓦量级的激光脉冲。文章从钛宝石晶体的增益特性、自锁模原理、色散及色散补偿、脉冲的展宽与压缩、再生放大器等方面,对飞秒钛宝石激光振荡器和放大器的工作原理做详细的阐述。关键词:飞秒钛宝石激光器;振荡器;放大器;啁啾脉冲中图分类号:O43文献标识码:A文章编号:1673-2014(2008)02-0041-051引言度上的进步,但有关钛宝石激光器的中文著作和读-15飞秒(10秒)激光技术是人类目前在实验室物却很少。本文从钛宝石激光振荡器、掺钛蓝宝石条
3、件下所能获得最短脉冲的技术手段。飞秒激光器增益特性、自锁模原理、色散以及钛宝石激光放大在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大。器等方面对钛宝石激光器的工作原理进行详细的飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光,具有持续阐述。因此,本文的目的就在于对飞秒激光器有一时间短、峰值功率高、波长可调谐等特点。它使人们个全面、具体、深入的阐述,对其工作的原理、性质获得了飞秒级的时间分辨。飞秒激光的出现使人类以及应用作一个概括性的总结,用来丰富我国关于第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运钛宝石激光器的科学资料,为科研人员和学生提供动过程。因
4、此,飞秒激光技术是一项能协助多种学相关参考文献。科在更深层次上认识客观世界的能力的技术,极具2飞秒激光振荡器[1]渗透性、带动性。随着飞秒激光在各领域中的应用飞秒钛宝石激光振荡器,或简称“飞秒激光逐渐广泛,可以产生飞秒量级的激光器和技术也经器”,是利用钛宝石的增益特性产生飞秒量级超短历了几代的革新。从染料激光器到固体激光器,由脉冲激光的装置。调Q技术到锁模技术,乃至现今能产生最短脉冲的一台典型的飞秒激光器的主要结构包括泵浦自锁模技术,超短脉冲技术在短短几年时间里就有源、增益介质和光谐振腔三个组成部分,如图1中了飞跃式的进步。其中,
5、采用自锁模技术的掺钛蓝所示;由泵浦源所发射的泵浦激光入射到钛宝石晶宝石激光器是超短脉冲技术的一个热门话题。体上,产生反转粒子;平面镜M1和半透镜OC构成由于掺钛蓝宝石晶体的荧光光谱很宽,如果激谐振腔,腔内两个曲率半径相同的凹面镜M2、M3起光器的纵模全部被锁定,理论上可以直接产生几个到聚焦的作用;此外,在激光腔内还要有专门的色散飞秒的脉冲输出,而无需采用另外的脉宽压缩技补偿装置-切成布儒斯特角的棱镜对P1、P2。术,这是其它激光器所无法比拟的。在我国,对掺钛以下将对钛宝石晶体的增益特性、自锁模原理蓝宝石激光器的研究和应用虽然已经有
6、了很大程和色散补偿技术这三个钛宝石振荡器的关键部分收稿日期:2007—06—09作者简介:王志军(1979—),男,山西五台人,助理实验师,主要从事大学物理实验教学与研究工作。·41·长治学院学报逐一进行详细分析和论述。泵浦能级与可调谐有关的图1飞秒钛宝石激光振荡器终端振动能级2.1掺钛蓝宝石晶体的特性Ti:S晶体是掺钛的Al2O3单晶,属六角晶系,空图3掺钛蓝宝石晶体的能级跃进图间群为它的物化性质与红宝石相似,稳定性好,热导率约为Nd:YAG的3倍,熔点高(2050°C)硬度大3+(9级),折射率为1.76。在晶体结构中,Ti离
7、子在3+Al2O3置换具有三角对称的C位上的Al离子,置3+2-于一个正八面体的中心,Ti离子受到周围六个O3+离子形成的立方场的作用。Ti离子的电子组态为2262611s2s2p3s3p3d,它仅有一个未配对的3d电子,除3d电子外是满壳层,这样,3d轨道的唯一价电子行为决定了离子的吸收和发射光谱的特性。对于Ti3+图4钛宝石晶体的吸收光谱离子最外层未配对的3d电子,其角量子数l=2,自旋量子数S=+1/2。2l+1=5表明该d电子轨道有5种取向,能级5重简并。在晶体中,由于晶格场的作222用,D能级分裂为T2(g基态)和E(g
8、激发态)两个电[2]3+子能级,激光跃迁就发生在这两个能级间。Ti离子电子能级与周围蓝宝石晶格的振动能级间的耦合使激发态能级分裂成E1/2和E3/2两个能级,基态能级分裂成2E1/2,1E1/2及E3/2三个能级,如图2所示。图5钛宝石晶体的荧光光
