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锁模光纤激光器可以直接使用了

2008-08-05 17:06
天堂的苦涩
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    作者:Jan Posthumus和Florian Tauser


    在所有激光器中,用途最广的当属飞秒激光器,但其应用大部分被限制在学术机构中的物理和化学部门。是什么使得此项技术受到如此关注却没有普及呢?


    在诸如超快泵浦探测光谱或时域太赫兹光谱等应用中需要极短脉冲,因而要求使用飞秒脉冲。应用于多光子过程中的原因同样明显,因为能量密度分布在越窄的脉冲宽度中,则峰值功率越高。也许是由于我们对于基于各种非线性频率转换机制的波长可调谐性所知甚少,参量放大器实际上可以在可见光和红外波段内的任何波长处产生激光辐射,具有如此宽范围的可调谐激光器当然不仅仅适用于物理和化学领域,它对于生命科学和工业应用来说同样意义非凡。

 

    然而,因为实际条件的限制,特别是考虑到效果和成本因素,飞秒技术并没有被广泛使用。一般来说,超快技术是在专业光学实验室工作的专家级激光用户的专用技术,其维护费通常很高,超过了初期投资。生命科学和工业应用要求激光器具有高性价比和通用性,不受安装位置等条件的限制(图1)。事实证明固态激光器很难实现这些要求,但是光纤激光器的发展使其已经能够提供一种具有竞争力的备选方案。在这一技术的发展过程中,基于非线性光纤和周期性极化晶体的新型频率转换技术扮演了重要的角色。

 

    得益于电信技术


    光纤激光器这几年的快速发展在很大程度上得益于利用了许多最初为电信业开发的高性能元器件。这些元器件工作波长为1.55祄,这一波长在石英中传输损耗最小,而且这些器件在可靠性和成本方面已经得到优化。通过适当的配置,在不损失其优势的前提下,可以利用这些元器件构造一个飞秒激光器。


    典型的飞秒激光器包含一个重复频率为80到110MHz的无源锁模共振腔和一个功率放大器。激光器的增益介质是掺铒单模光纤,其增益带宽达几十纳米,因而可以支持超快脉冲。非线性过程保证所有的纵波以同相位传输(锁模)从而产生短脉冲。由于光纤引导光束传播方向,所以对准情况很稳定,而且脉冲能够自启动。在波长为1.55祄处,结合使用正常和反常色散光纤,可以补偿共振腔的色散。工作在更短波长的飞秒激光器则需要用体光学元件进行色散补偿,因此稳定性会差一些。


    利用光纤耦合二极管激光器泵浦掺铒光纤。在电信应用当中,二极管激光器可以连续工作许多年。即使在一些非常规失效情况下,二极管激光器的更换也比固态飞秒激光器使用的泵浦激光器的维护要容易很多。典型的锁模光纤共振腔可以产生几毫瓦的输出光功率,该功率经过光纤放大器后,被放大到几百毫瓦。可以使脉冲宽度小于100fs。

 

    应用于太赫兹领域的工业级激光器


    太赫兹(THz)光谱和成像技术是一项刚刚萌芽的技术。太赫兹辐射位于红外和微波波段之间,可以利用多种方法产生和检测,例如在非线性晶体中产生多种频率、表面光学校正、光导开关。这些方法极大地拓宽了飞秒光脉冲的带宽,从而产生了可透过有机材料的辐射。不过,在太赫兹频段,大分子仍然拥有一些特有的吸收光谱,因而可以利用它们的太赫兹“指纹”来监控和分析不透明包装或衣物内的一些物体或货物。因此,太赫兹成像和光谱技术在质量监控和安全方面具有重要意义。很明显,这类应用要求最终的产品除了具有可靠性和易用性外,价格也要合理。


    在过去十年内,因为钛蓝宝石光源统治着飞秒激光器市场,所以几乎所有的太赫兹设备都被优化工作在800nm波长附近。通过利用周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)来倍频掺铒光纤激光器的输出很容易得到这一波段。这些高效晶体可以产生大约100mw的输出功率,其波长为775nm,脉冲宽度接近 100fs。为了寻找具有高可靠性和高性价比的系统,人们将重心转向1.55祄波长的发射器和探测器,并有望取得初步成果。

 

    用于显微技术的通用激光器


    任何形式的现代显微镜都依赖于激光器,无论是脉冲激光器还是连续波长激光器。短而强的飞秒脉冲激光推动了时间分辨和多光子激发的研究。尽管最值得关注的属性是基于非线性频率转换的可调谐性,但迄今为止,共焦显微镜仍依赖于二极管激光器和气体激光器,因为他们体积小、成本低且容易操作。但是因为这些激光器波长固定,所以显微镜常常需要配备多个激光器。即使如此,用户仍需要经常寻找一些适合特定波长的的荧光标记。利用可调谐激光器,用户可以首先从科学的角度选择一个标记波长,然后再相应调整激光器的输出波长。


    可以将飞秒光纤激光器在可见光波段转变成易于操作的可调谐激光器来满足这一要求。特种光纤内部的非线性过程可产生在1050到1400nm波段连续可调谐的激光束,其平均输出功率在20到30mW之间,脉冲宽度小于30fs。将这一光束倍频到可见光波段,可使其平均输出功率为几毫瓦,光谱宽度为 1-2nm(图2)。在连续调谐情况下,构造出一些具有不同输出极性的特殊PPLN晶体。窄带特性确保人们可以很容易被从散射激发光中分辨出Stokes 频移荧光信号。整个可调谐激光器可以被封装在一个小型激光头内,从而降低周围环境对其的影响。

 

    由于可见激光束以脉冲形式存在,所以可应用于新型显微方法,例如荧光寿命成像技术(FLIM)。除了荧光强度外,荧光的短暂时间衰减也被作为一个额外的信息源。具备自动同步脉冲的双色光纤激光器推动了相干反Stokes拉曼散射(CARS)显微技术和泵浦-探测显微技术的发展(图3)。最终利用 1.55祄和775nm的高能光束使多光子激发成为可能。除了为共焦显微镜增加新的颜色外,用户也可以利用这些最新的技术开发一些新应用。

 

    用于度量领域的可靠激光器


    近年来,一多半的物理学诺贝尔奖被授予那些基于精确飞秒激光光谱的工作。被动锁模激光器发射一个规则的空间频率梳,记为fn = n × ƒrep + uCEO,其中uCEO是偏移频率,ƒrep是激光器的重复频率,n取整数。在微波频段,可以用电路对uCEO和ƒrep进行控制和测量。这样,就可以将这两个参量引入当前的频率标准,如商用微波原子钟、GPS接收器或氢微波激射器。就效果来讲,锁模激光器的输出在光域形成了一个绝对的频率标准,可以应用于高精度频率测量领域。

 

    最近的测试表明,利用锁模光纤激光器进行频率测定的不稳定性仅仅受到目前可用频率标准的限制,在1秒的积分时间后可以低于2×10-14。3与以前的技术相比,光纤系统已经可以移动,实现连续几天或几周的不间断测量。非线性频率转换技术使可用频段从530nm扩展到2000nm。据报道,科学家们在钙光频标准波长(657nm)处进行了一次超过80小时的连续测量。

 

    光纤激光器对固态激光器


    无论何时,高峰值功率和短脉冲宽度都是不可或缺的,钛蓝宝石激光器将仍旧是首选方案。但是,尽管在基础研究领域成功使用了这些光源,但在其他领域的尝试都以失败告终。


    另一方面,光纤激光器具有性价比高、可靠性好、环境稳定性强等优势。尽管光纤激光器并不是飞秒激光器世界纪录的保持者,但是它们仍能满足如前面所述的许多应用的要求。连续可调谐和窄带激光器的概念为共焦显微技术提供了全新的发展机会。使用单个激光光源,用户就可以在实验中自由选择最理想的荧光染料。

 

    参考文献


1. J. Lloyd-Hughes, E. castro-Camus, M.B. Johnston, Solid State Communications 136, 595 (2005) and references therein.
2. Th. Udem, R. Holzwarth, T.W. H?nsch, Nature 416, 233 (2002).
3. E. Benkler, H.R. Telle, A. Zach, F. Tauser, Optics Exp. 13, 5662 (2005).
4. F. Adler et al., Optics Exp. 12, 5872 (2004).

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