先進(jìn)的超快放大器無(wú)需低溫冷卻系統(tǒng)即可在交鑰匙系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率、高功率和高光束質(zhì)量的激光輸出。

Steve Butcher，Marco Arrigoni；Coherent公司

物理和化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的多種應(yīng)用驅(qū)動(dòng)了對(duì)于超快放大器的需求。超快放大器可以以更高的重復(fù)頻率和平均功率傳遞飛秒脈沖，從而提高信號(hào)的信噪比并減少數(shù)據(jù)采集時(shí)間。要在不犧牲脈寬、光束質(zhì)量、操作簡(jiǎn)便性和可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)這些性能，對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。通過(guò)最近的設(shè)計(jì)改進(jìn)，研究人員研制出了一套只需對(duì)摻鈦藍(lán)寶石增益介質(zhì)進(jìn)行熱電冷卻 ，就可使平均輸出功率高達(dá)15 W的系統(tǒng)。在此之前，由于可實(shí)現(xiàn)同樣輸出功率的超快放大器需要低溫冷卻，因此整個(gè)系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且體積龐大。

功率要求

基于摻鈦藍(lán)寶石的鎖模激光振蕩器的出現(xiàn)，為超快激光應(yīng)用帶來(lái)了一場(chǎng)革命，它大大簡(jiǎn)化了獲得飛秒脈沖的難度。典型的摻鈦藍(lán)寶石振蕩器的平均輸出功率高達(dá)2~4W。重復(fù)頻率為50~100MHz時(shí)，根據(jù)脈沖寬度，脈沖能量最多為幾十納焦，峰值功率為500kW。

許多應(yīng)用要求更高的脈沖能量和峰值功率，啁啾脈沖放大可以解決這個(gè)問(wèn)題。振蕩器的輸出脈沖預(yù)先通過(guò)脈沖選擇裝置被展寬，然后被另外一個(gè)摻鈦藍(lán)寶石晶體放大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，將脈沖寬度壓縮到初始脈沖寬度那樣窄。

針對(duì)固體物理和光化學(xué)領(lǐng)域的泵浦-探針研究，可使用放大的飛秒脈沖泵浦一個(gè)或多個(gè)可調(diào)諧的光學(xué)參量放大器（OPA）。還可以在成像和光譜學(xué)研究中，利用其生成太赫茲脈沖。最近，具有載波包絡(luò)相位（CEP）穩(wěn)定性的放大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了極紫外線（4~30nm）波長(zhǎng)的阿秒脈沖。阿秒脈沖的波長(zhǎng)非常短，足以用于研究原子和分子中電子的動(dòng)態(tài)。

很多這類(lèi)應(yīng)用會(huì)包含一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的非線性轉(zhuǎn)換級(jí)（參量轉(zhuǎn)換或其他效應(yīng)），但轉(zhuǎn)換效率通常比較低。增加放大器每個(gè)脈沖的輸出能量，可以有效地同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)高能量非線性級(jí)。

熱透鏡效應(yīng)

阻礙超快放大器系統(tǒng)輸出更高功率的最大障礙是增益晶體中的熱透鏡效應(yīng)。即使采用激光泵浦，超過(guò)75％的泵浦功率會(huì)被轉(zhuǎn)換成熱量。端面泵浦摻鈦藍(lán)寶石棒可以使泵浦功率沿徑向分布，而最大泵浦功率強(qiáng)度位于增益介質(zhì)的中心線上。摻鈦藍(lán)寶石晶體中的局域熱量分布與泵浦光強(qiáng)度的分布一致，并且沿晶體表面向內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷卻溫度的傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致徑向熱梯度垂直于激光束方向（見(jiàn)圖1）。即使泵浦光的功率只有10W，光束腰只有50μm，也可以產(chǎn)生超過(guò)50屈光度的熱透鏡。如果采用40W以上的激光脈沖泵浦，熱透鏡效應(yīng)將成為設(shè)計(jì)時(shí)所面臨的最大挑戰(zhàn)。

圖1：利用圓形光束端面泵浦摻鈦藍(lán)寶石激光棒可以產(chǎn)生徑向熱梯度，產(chǎn)生的效果和球面鏡相當(dāng)。

可以采用幾種方法冷卻摻鈦藍(lán)寶石晶體，從而降低熱透鏡效應(yīng)的強(qiáng)度。然而不幸的是，這些方法的冷卻效果與其成本和復(fù)雜性成正比。被動(dòng)傳導(dǎo)冷卻是最簡(jiǎn)單的方法，其次是水冷。這兩種方法在輸出功率為3~4W時(shí)有效。在更高性能的放大器系統(tǒng)中，通常采用熱電冷卻器為摻鈦藍(lán)寶石晶體降溫，但直到最近，這一方法能適用的最大平均功率也只有7~8 W。

最終的方法是采用低溫冷卻技術(shù)。在低溫條件下，摻鈦藍(lán)寶石的導(dǎo)熱性增加了約40倍，折射率對(duì)溫度的依賴(lài)性下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這兩種效應(yīng)所帶來(lái)的最終結(jié)果是將溫度為330K的摻鈦藍(lán)寶石和溫度降至77K的摻鈦藍(lán)寶石之間的熱透鏡效應(yīng)降低約400倍。到目前為止，輸出功率為幾瓦的放大器均采用低溫制冷，其缺點(diǎn)是成本較高、系統(tǒng)較復(fù)雜。

15W的系統(tǒng)

利用多種技術(shù)制成一個(gè)15W的放大器，該放大器具有和3~4W級(jí)系統(tǒng)相同的簡(jiǎn)易性和光束質(zhì)量。

研究人員采用復(fù)合型方案確保再生放大器的光束質(zhì)量，該方案無(wú)需低溫冷卻，從而降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。在該方案中，Coherent公司的Legend Duo HP在同一盒體中先后放置了正反饋放大器和單程放大級(jí)，為兩塊摻鈦藍(lán)寶石晶體提供熱電冷卻。

這種方法和傳統(tǒng)的多程放大技術(shù)是有區(qū)別的。在多程放大系統(tǒng)中，輸入脈沖通過(guò)晶體約10到15次，每次通過(guò)的角度會(huì)有輕微的不同，但會(huì)與泵浦光束部分重疊。因此多程放大系統(tǒng)不但光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且輸出光束質(zhì)量也比種子光差。相比之下，再生放大器是一種高增益激光腔，種子激光脈沖在腔中多次往返的過(guò)程中被放大，當(dāng)達(dá)到增益飽和時(shí)就從腔中輸出（見(jiàn)圖2）。放大器的輸出光束特性其主要取決于單腔的設(shè)計(jì)，與種子激光器無(wú)關(guān)，因此可以產(chǎn)生近乎完美的TEM₀₀模，具有穩(wěn)定的執(zhí)行特性，適用于下游的非線性生成過(guò)程。額外的單程功率放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)可以保持再生放大器的輸出光束質(zhì)量。

 圖2：在再生放大器中，注入的脈沖多次通過(guò)放大器腔，然后通過(guò)一個(gè)聲光開(kāi)關(guān)輸出。

利用位于兩塊摻鈦藍(lán)寶石晶體之間的集成的泵浦激光器分束器，該單程再生放大器在頻率為1kHz時(shí)，輸出功率超過(guò)8W，在頻率為5kHz時(shí)，輸出功率超過(guò)12.5W。由于含有高泵浦功率，因此很難忽視熱透鏡效應(yīng)。但是通過(guò)對(duì)晶體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用特殊形狀的較平坦的大尺寸晶體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓柱型激光棒，可以將低熱透鏡效應(yīng)降低到可以控制的水平。然后，熱電冷卻器通過(guò)扁平型表面對(duì)晶體進(jìn)行冷卻。

為了將再生放大器的輸出功率提高到15W，研究人員增加了一個(gè)外部泵浦激光器。該單程的再生放大器的光學(xué)結(jié)構(gòu)無(wú)本質(zhì)上的變化，但在重復(fù)頻率為1kHz、5kHz和10kHz時(shí)，輸出功率分別提高到15W、10W和12W。采用一個(gè)或兩個(gè)泵浦激光器，其單程的末端放大器級(jí)并不影響光束方向和TEM00光束的形狀，這是再生放大器的主要特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合型方案是最佳的方案（見(jiàn)圖3）。當(dāng)光束通過(guò)的次數(shù)從1次增加到2次時(shí)，超快放大器的輸出功率穩(wěn)步增加了約20％，但是光束的M2值增加了近100％。在單程裝置中保持較低的M2值，該放大器兼具光學(xué)光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出效率高的特點(diǎn)；同時(shí)具有理想的光束參數(shù)特性，可將其聚焦于空心光纖內(nèi)徑中或者泵浦多個(gè)高能量OPA；此外，它還消除了對(duì)復(fù)雜的低溫冷卻系統(tǒng)的需求（見(jiàn)圖4）。

圖4：高光束質(zhì)量可以使參量放大、諧波產(chǎn)生、連續(xù)光譜產(chǎn)生等非線性過(guò)程實(shí)現(xiàn)更高的效率和光束質(zhì)量。當(dāng)放大的脈沖聚焦到一塊藍(lán)寶石板（或空心光纖）上時(shí)，級(jí)聯(lián)非線性效應(yīng)可以產(chǎn)生超連續(xù)光譜。該圖為超連續(xù)光通過(guò)自然衍射的色散圖。

通常，根據(jù)單個(gè)脈沖能量、重復(fù)頻率和光束質(zhì)量等參數(shù)選擇超快放大器。隨著實(shí)驗(yàn)復(fù)雜程度的提高，超快放大器的可靠性和易用性變得越來(lái)越重要。對(duì)超快放大器設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)有忘提高其靈活性和性能，從而使得結(jié)構(gòu)和操作變得更加簡(jiǎn)單。