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1、概述
飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光,持续时间非常短,只有几个飞秒,1飞秒就是10-15秒,也就是1秒的千万亿分之一,它比利用电子学方法所获得的Z短脉冲要短几千倍,有效的治疗近视,是人类目前在实验条件下所能获得的Z短脉冲。
飞秒激光具有非常高的瞬时功率,可达到百万亿瓦,比目前全世界发电总功率还要多出百倍，飞秒激光的第三个特点是,它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域,使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍，帮助我们治疗近视疾病。
飞秒激光在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大,目前已有所应用,科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。
2、工作原理
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。
(1)飞秒激光振荡器
飞秒钛宝石激光振荡器，或简称“飞秒激光器”，是利用钛宝石的增益特性产生飞秒量级超短脉冲激光的装置。一台典型的飞秒激光器的主要结构包括泵浦源、增益介质和光谐振腔三个组成部分;由泵浦源所发射的泵浦激光入射到钛宝石晶体上，产生反转粒子;平面镜M1和半透镜OC构成谐振腔，腔内两个曲率半径相同的凹面镜M2、M3起到聚焦的作用;此外，在激光腔内还要有专门的色散补偿装置-切成布儒斯特角的棱镜对P1、P2。以下将对钛宝石晶体的增益特性、自锁模原理和色散补偿技术这三个钛宝石振荡器的关键部分逐一进行详细分析和论述。
(2)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(9级)，折射率为1.76。在晶体结构中，Ti3+离子在Al2O3置换具有三角对称的C位上的Al3+离子，置于一个正八面体的中心，Ti3+离子受到周围六个O2-离子形成的立方场的作用。Ti3+离子的电子组态为1s22s22p63s23p63d1，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yi价电子行为决定了离子的吸收和发射光谱的特性。对于Ti3+离子Z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，由于晶格场的作用，2D能级分裂为2T2g(基态)和2Eg(激发态)两个电子能级，激光跃迁就发生在这两个能级间。Ti3+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。这些振动能级间的能量间隔很小，因此，大量的振动能级构成了准连续的能带，使得基态和激发态能级分布范围很宽，因而，Ti3+的吸收跃迁谱带都很宽，分布较宽的基态能级是Ti：S激光器可调谐运转的关键。
(3)Ti：S晶体的蓝绿吸收带对于不同偏振具有不同吸收截面，π表示的电矢量与晶体的光轴(c轴)平行，σ表示光的电矢量与c轴垂直，晶体对π偏振光吸收要大得多，为使Ti：S晶体对泵浦光有Z大的吸收，应使泵浦光的波矢k垂直于c轴，让电矢量E平行于c轴。Ti：S晶体的吸收光谱。其吸收谱范围为430-580nm，峰值490nm，所以用蓝绿波段的激光，如Ar+激光，铜蒸汽激光，倍频YAG激光，倍频YLF激光来泵浦都比较合适。
图5是掺钛蓝宝石晶体在室温下的荧光光谱，其峰值波长约为745nm，荧光光谱有很强的偏振特性，π偏振光强度大于σ偏振光。根据荧光强度与增益系数的关系，可以得到相应的增益曲线。逯美红飞秒钛宝石激光器的工作原理研究长在795nm附近，增益波长范围为650～1200nm，带宽约122nm，这是迄今为止发现的所有激光增益介质中Z宽的。由于这种宽的荧光光谱，使它构成的锁模激光器可具有极窄的脉宽。
(4)自锁模原理
获得超短脉冲的主要方法就是运用调Q或锁模技术。在飞秒量级的激光技术中，获得超短脉冲的主要方法是锁模技术。利用锁模技术对激光束进行调制，使光束中不同的振荡纵模具有确定的相位关系，从而使各个模式相干叠加得到超短脉冲。锁模激光器脉宽可达10-11～10-14s，相应地具有很高的峰值功率。锁模的方法主要有两种：主动锁模和被动锁模。主动锁模是在激光腔内插入一个调制器，调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔，这样可以得到重复率为f=c/2L的锁模脉冲序列。根据调制原理可分为相位调制和振幅调制。被动锁模是根据可饱和吸收体的特性进行锁模的，在激光谐振腔中插入可饱和吸收体来调节腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。根据锁模形成过程的机理和特点，被动锁模分为固体激光器的被动锁模和染料激光器的被动锁模两种类型。 2017-01-16 995
