【正文】 阱材料 增強(qiáng)再加上反復(fù)不停地 振蕩 進(jìn)而射出 激光 是其最重要的原因 。 4 依據(jù) 日常生活 的 經(jīng)驗(yàn)， 假如將 水用一臺(tái)抽水機(jī)抽到 水庫(kù) 中去， 如果水庫(kù) 的堤壩 非常低， 那么 它的蓄水量就 很小 。 某些物理現(xiàn)象上激光器 原理和它類(lèi)似 ，簡(jiǎn)單 的 激光器 就如同 堤壩很低的水 庫(kù) ，工作物質(zhì)下能級(jí)的粒子 被 光泵泵浦到上能級(jí) 之 后， 如果 下能級(jí)的粒子數(shù) 量小于 上能級(jí)的粒子數(shù) 量 ， 那么 反轉(zhuǎn)粒子數(shù) 就可以實(shí)現(xiàn)了 ，工作物質(zhì) 的 光增益 就會(huì)在這時(shí)擁 有了， 假如 在諧振腔內(nèi)光運(yùn)行一周的損耗 很小 ， 久非常簡(jiǎn)單 達(dá)到 滿足 激光振蕩的闕值條件， 使 激光輸出形成， 換句話說(shuō) 產(chǎn)生激光的門(mén)檻很低， 不需要 泵很多下能級(jí)粒子上去，就 可以讓 激光輸出形成， 自然， 這 種 的激光不會(huì)很強(qiáng)。 咱們首 先來(lái) 理解一下 關(guān) 于 Q 值的含義，在無(wú)線電技術(shù)里 Q 值 是指 一個(gè)電學(xué)的諧振回路的品質(zhì) 要素 ，它 以為 著一個(gè)回路的電能損耗 狀況 ， Q 越小， 那么這個(gè) 回路的 功能即 品質(zhì)就越好。 下面 咱們 再 看一下 調(diào) Q 的 詳細(xì) 方法 和怎么 通過(guò)調(diào) Q 得到 高功率激光脈沖 的原理 。 當(dāng)然， 為了 將較 強(qiáng)的激光脈沖 得到 ，上能級(jí)積累的粒子越多越好， 但是這樣的 積累時(shí)間 不是無(wú)限的 ， 由于 粒子在上能級(jí) 只可以有 一定 時(shí)間的 停留， 所以 它有一定的壽命 (稱(chēng)為熒光壽命 )。 這時(shí) ，激光上、下能級(jí)間工作物質(zhì)的 偶爾 的 自發(fā) 輻射，便會(huì) 快速 增長(zhǎng)在諧振腔內(nèi)， 進(jìn)而 上能級(jí)的粒子數(shù) 絕大部分全都 極快地感應(yīng) 而且 躍遷下來(lái)， 最后 一束持續(xù)時(shí)間極短 (約為 108一 104秒 )的 強(qiáng)激光脈沖 被 形成， 這個(gè)脈 沖光強(qiáng) 通常 可 以 達(dá) 到 數(shù)兆瓦以上。在激光形成的過(guò)程中， 設(shè)定 工作物質(zhì)的增益系數(shù)為 g0， 通過(guò)激光原理 可以知道 粒子反轉(zhuǎn)數(shù)及受激輻射截面 和 g0成正比， 故而 在諧振腔內(nèi)光子一個(gè)單程的放大量是 : 0g Nl? ? ?? () 其中 諧振腔內(nèi)的光子數(shù)密度 為 ? ； 工作物質(zhì)的受激輻射截面 為 ? ； 工作物質(zhì)的長(zhǎng)度 為 l。 故而 單位時(shí)間內(nèi)在受激輻射過(guò)程中減少的反轉(zhuǎn)粒子數(shù) dNdt ： 2dN Cl Ndt L? ??? （ ） ()和 ()就是 咱們想要設(shè)定 的 Q 開(kāi)關(guān)激光的速率方程。 圖（ a） 8 圖（ b） 圖（ c） 圖（ d） 圖（ e） 圖 Q 原理裝置示意圖 （ a)轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q （ b)電光調(diào) Q （ c)染料調(diào) Q （ d)受抑全內(nèi)反射調(diào) Q 原理圖 （ e)聲光調(diào) Q 同樣，依照 激光介質(zhì)的 差別 飛秒激光器 大抵 可 以 分 成 四類(lèi) ：應(yīng)用無(wú)機(jī) 染料 當(dāng)做 介質(zhì)的飛秒激光器是第一類(lèi) ，它能夠按照 染料 的差別射出 波長(zhǎng) 也具有差異的 飛秒脈沖 ,紫外到紅外波段 均是它的影響范圍 。在 二十年以前早就進(jìn)行了 超短脈沖半導(dǎo)體激光的 鉆研 ,然而沖破 皮秒量級(jí) 一直是一個(gè)艱巨的任務(wù) ,感謝 超短脈沖半導(dǎo)體激光器 引進(jìn) 多量子阱 資源 ,才突破 了 這 個(gè)重大的 難題。 效率很高 、緊湊 的構(gòu)造 、損耗 很低 、全光光學(xué)和負(fù)色散 是其 重要的特征 ,由于它的 波長(zhǎng) ，它可以應(yīng)用 于光 通信 ,通過(guò) 光纖 具備 的 特別 性質(zhì) 完成 孤子進(jìn)程是它 主要的工作原理。腔內(nèi)第 q 個(gè)縱模的光波電場(chǎng)可 以用 式表示 ： 1 ( ) c os ( 2 )q q qE t E ?? ??? () 公 式中 ， 第 q 個(gè)縱模的振蕩頻率 用 Vq 表示。即： 1qq??? ??常數(shù) （ ） 每個(gè)縱模的振蕩是 互相 獨(dú)立的 ， 它們的 相位無(wú) 規(guī)律 地分布在 ? ～ +? 的范圍 之間， 10 在時(shí)域圖中 ， 強(qiáng)度分布的特性 是 具有熱噪聲。 例如 ： 在釹玻璃中 ,Δν= 20nm～ 30nm， 可 以 得到 10 13～ 10 12S 數(shù)量級(jí) 的鎖模脈沖。中科院西安光機(jī)所 的 陳國(guó)夫研究員 1986年在英國(guó) 大學(xué)物理系 運(yùn)用相同的 結(jié) 12 構(gòu) ， 19fs的光脈沖 從 CPM環(huán)形染料激光器上得到了 ,這是迄今為止染料激光器最好的結(jié)果 。但 是 Ti:Sapphire 晶體 還是非常好 的飛秒介質(zhì) ， 它 不但 熒光譜 (660～ 1100 nm)很寬、光學(xué)均勻性和導(dǎo)熱性 很 良好、 高 硬度、 高 損傷閾值等優(yōu)良的 特性 ，并且 還有綠光泵浦源 這種完全 商品化 了的 ， 固體飛秒激光器 剛好是由于這類(lèi) 技術(shù)的發(fā)展 有了劃時(shí)代的邁進(jìn) 。 由于想將 高階色散的影響 減弱的原因 ， R Szipocs 和 FKrausz在 1994年 建議 對(duì)脈沖的高階色散 運(yùn)用 啁啾鏡技術(shù) 實(shí)行補(bǔ)救 。 兩千零一 年鈦藍(lán)寶石飛秒振蕩器 在利用 色散管理 方法和 增強(qiáng)自相位調(diào)制 的技術(shù)不單單只是得到 了 五飛秒 的脈沖寬度 ,同樣 鈦寶石的發(fā)射光譜 被趕超 了 ， 600～ 1200nm范圍都被其影響，實(shí)現(xiàn)了 一個(gè)倍頻程。 飛秒脈沖 ()在 一個(gè)光周期 從 在理論上 分析是 可以被 鈦藍(lán)寶石熒光光譜 實(shí)現(xiàn) ，但是一般狀況下它的 光譜 擁有非常自由 的調(diào)制 ，所以， 最短也 僅可能有大概為 5fs的脈寬從振蕩器 被 直接輸出。 利用 空心光纖 里入射 放大光的 技術(shù)使得 寬度 為三點(diǎn)八飛秒 的脈沖 在 兩千零三 年 被捕捉到 ，這是 一個(gè) 超級(jí)靠近八百納米 的光周期。在 CPA技術(shù) 被發(fā)明以前 ,GW(109W)量級(jí)脈沖峰值功率 長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有辦法被打破 ，是因?yàn)樗?激光元件損傷閾值 及 非線性效應(yīng) 所遏制引起的，因此同樣 造成了 很低的聚焦功率密度。增強(qiáng) 脈沖 緊縮 的極限 依靠 寬帶 來(lái)保障 ， 高效率的 增強(qiáng)依靠 高增益 來(lái)保障 。 14 在 超短脈沖放大 領(lǐng)域內(nèi)最為完美的 介質(zhì)。 通常情況下 Nd:glass是其最重要的 放大介質(zhì) , 這類(lèi)放大系統(tǒng) 能夠?qū)Ⅲw積做的非常大 ，再者它能擁有大于 300μs的 上能級(jí)弛豫時(shí)間 ，而且 可以 在 八百納米周?chē)鷵碛蟹浅：?的吸收 性 ， 半導(dǎo)體激光器直接泵浦 領(lǐng)域 它是非常符合的，可是 其也具有很差的 導(dǎo)熱 能力 和較低的 重復(fù)頻率。 這種 激光放大系統(tǒng) 的運(yùn)用非常普遍 ， 擁有非常活躍的前景 ，具有低廉價(jià)格的 成本 ， 是 CPA 放大系統(tǒng) 現(xiàn)在改進(jìn) 的 主要前景趨勢(shì) 。 由于 CPA技術(shù)的 改善 ，大量全 新的技術(shù) 被發(fā)現(xiàn)了 ，大幅度的增強(qiáng)了其 時(shí)間 性能 、聚焦 特性和 輸出光譜 性能 等方面。 在時(shí)間比較靠近的兩年里，又出現(xiàn)了增強(qiáng) 脈沖對(duì)比度的 不錯(cuò)的技術(shù)那就是 DPA方案。 另一方面 ，一個(gè)非常主要的原因 就是 放大 經(jīng)過(guò) 中 的 光譜特征 ,因?yàn)?紅移 等干擾產(chǎn)生在 CPA放大過(guò)程中 ,放大光譜的形狀 與寬度 因此均會(huì)產(chǎn)生明顯的變化 ，以至于 脈沖的 緊 縮 被干擾。 比較合適 的脈沖寬度 與不是很寬 的光譜寬度 是 泵浦脈沖 所必需的 ，通常 是 在LBO、 KDP或 BBO晶體中啁啾脈沖 與這種 泵浦脈沖 利用 OPA的經(jīng)過(guò)增強(qiáng) 一個(gè)寬帶啁啾信號(hào)激光脈沖 ，然后 將 輸出峰值功率 很強(qiáng) 的激光脈沖 利用 脈沖 緊縮 得到。 通過(guò)現(xiàn)在 光柵 的 商品化 的性能 ,脈沖輸出 拍瓦量級(jí)的激光 能夠被完成 。 第四、 在 普通的 的 CPA預(yù)案里， 在時(shí)域上超短脈沖 互相 重合 被 多光束疊加技術(shù) 實(shí)現(xiàn)是非常困難的，進(jìn) 而 導(dǎo)致該技術(shù)不能被應(yīng)用 。 第六， 抽運(yùn)光 在 OPA光學(xué)晶體 中是看不見(jiàn)的 ， OPCPA可以 變小系統(tǒng)熱畸 。 用 最簡(jiǎn)單的余弦調(diào)幅 舉 例 ,如果 損耗調(diào)制器插入腔內(nèi)， 可以 使中心頻率 ν 0的光波電場(chǎng)振幅 產(chǎn)生 余弦規(guī)律 的 變化，將 會(huì)得 到以下結(jié)論： 一個(gè)頻率 ν0， ν0+△νq和 ν0νq,理論分析指出， 如果 νq的振幅 被 一個(gè)周期為 T=1∕ 17 △ νq=2L∕c的任意正弦函數(shù) 所 調(diào)制， 那么 一個(gè)縱模 ν0將分裂為 ν0177。這樣，可以 用 整個(gè)譜線起振的形式 將 諧振腔內(nèi)原先的某一縱模 ν0光波電場(chǎng) 寫(xiě)出 ，到 此，由鎖模原理可 以 知 曉 ，只要激光器的調(diào)整 和 結(jié)構(gòu)適宜，就可 以 獲 得 超短脈沖列的激光輸出 。 因?yàn)?τ值 非常 小 ，在很短時(shí)間內(nèi)這個(gè) “開(kāi)關(guān)”又 會(huì) 關(guān)閉 ,所以產(chǎn)生了可以吸收 光強(qiáng)較小的脈沖的特性。 器件 結(jié)構(gòu)能夠被制造的 小而輕 并且簡(jiǎn)單 ,便宜的價(jià)格是 被動(dòng)鎖模 非常突出的優(yōu)勢(shì) 。用 蘭姆理論 當(dāng)做根據(jù) 的 是前期 的自鎖模分析 的狀況 。 通過(guò) 補(bǔ)償群 被 腔內(nèi)棱鏡速度色散后， 鈦 寶石激光器 則能夠?qū)?自鎖模飛秒脈沖 射出 ， 而且每天 所得 到 的脈沖 越來(lái)越短 ， 至今為止 13fs是 最短 的記錄 ， 也 是最短脈沖中 直接從激光器獲得的。 這個(gè)情況說(shuō)明 自鎖模 技術(shù)擁有非常好的使用前景和非常劃算的 實(shí)用 意義 。 即使 克爾鏡模 能夠?qū)?固體激光自鎖模 基本解釋清楚 ，但 是 氣體激光自鎖模 仍然處于一個(gè)尷尬的狀態(tài) 。 而 自鎖模激光器，它 的 脈沖的壓縮 并不是 只能靠增益介質(zhì)本身 ，與 主動(dòng)鎖模或被動(dòng)動(dòng)鎖模激光器脈沖壓縮元件 不同 。通過(guò)激光脈沖 時(shí) 該介質(zhì)后會(huì)出現(xiàn)自聚焦 的現(xiàn)象 ，并且 如果 焦點(diǎn) 越近、需要的 強(qiáng)度 越大 。我們認(rèn)為不能形成穩(wěn)定的凹的小信號(hào)增益 是 不穩(wěn)定的主要原因。至于 銅蒸汽激光器， 盡管 它 具有較高的 功率密度，但 是 它 也具有 較寬 (由于它的工作溫度較高 )的 增益線寬，凹的小信號(hào)增益 一樣 難于形成而自鎖 。 至于 欽寶石激光器， 凹的小信號(hào)增益則 可以 通過(guò) 中心波長(zhǎng)高透的輸出藕合鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。 不厚的 鋼箔上 聚集了能量為 1μJ并且延續(xù)時(shí)間為二十飛秒的 脈沖， 同一種類(lèi)別的 同心環(huán) 被消除在 脈沖光束的 目標(biāo)上 。 利用這樣的方式 ， 毫焦量級(jí) 的脈沖能量 能夠被實(shí)現(xiàn) ， 然而缺陷是只有被控制在幾千赫茲的范圍內(nèi) 重復(fù)率。 由于 皮 21 秒 是其 脈沖時(shí)間 領(lǐng)域 ， CPA 方法可以不應(yīng)用于 STACCATO 激光系統(tǒng)。紅外激光輻射從 STACCATO 射出后由于它具有超 高的峰值功率密度 的特點(diǎn)，所以類(lèi)似于 532nm， 355nm 和 266nm 這種 更短的激光波長(zhǎng) 可以 被 轉(zhuǎn)變產(chǎn)生 。 后面所講的思考有關(guān)于一個(gè)完美 參數(shù) ，它是接近外部 的材料 被 超快激光器精密 清除時(shí)產(chǎn)生的 。厚度的典型值 是十到一百納米 的材料在這樣的條件 下 可以被 每個(gè)激光脈沖 熔解掉 ， 可以產(chǎn)生 最小的等離子， 擁有非常好的品質(zhì) ，零點(diǎn)一微米 精度的微結(jié)構(gòu) 能夠被生產(chǎn) 。 把五百三十二納米 的光輻射 經(jīng)過(guò) STACCATO 激光器在 5 五萬(wàn)赫茲的條件下聚集到 二十五微米直徑 的一個(gè)點(diǎn)上結(jié)構(gòu) 就可以被生產(chǎn) 出來(lái) 了 。 由于 設(shè)計(jì)的相對(duì)簡(jiǎn)單 化 ，袖珍的 尺寸，緊湊 的 結(jié)構(gòu) 成為了 RAPID 這 個(gè) 激光器的 優(yōu)點(diǎn) ， 超 快的 Pockels 核 和 放大器是其核心部分 ， 這樣超過(guò)五十萬(wàn)赫茲 的 高 重復(fù)率 可以由 它 產(chǎn)生 。 這樣導(dǎo)致可能運(yùn)用所有 加工 方法來(lái)完成 ， 而且 光束路徑的 影響同樣可以被實(shí)現(xiàn) 。 不高于 1%rms 的 脈沖與脈沖能量 改變會(huì)產(chǎn)生 。 尺寸低于 焦點(diǎn)光斑的 精密改進(jìn)能夠被 飛秒激光加工 完成 ,多光子吸收的光強(qiáng)依賴(lài)性 是它的緣由所在 。 在處于 1012～ 1014W/cm2這個(gè)范圍的 激光強(qiáng)度 IP出現(xiàn) 時(shí) ,不止一個(gè) 光子 將可以被 材料中的電子 在同一時(shí)間段吸納 ,電子 被輕松 從原子和分子中 剔除出來(lái)并 在強(qiáng)度 高的 激光電磁場(chǎng) 中 發(fā)生 電離 現(xiàn)象 。 外部 介質(zhì) 無(wú)法影響 這些種子電子密度， 而且無(wú)法產(chǎn)生 統(tǒng)計(jì)波動(dòng) 很明顯的情況，讓 統(tǒng)計(jì)屬性 改變成為一種準(zhǔn)確的行動(dòng)就是現(xiàn)在 光對(duì)物 23 質(zhì)的 影響 ,而且精準(zhǔn) 的加工閥值 可以被擁有 。 針對(duì) 飛秒激光脈沖 的能量不是很充足的特性來(lái)說(shuō) ,準(zhǔn)確 的加工 方法僅會(huì)產(chǎn)生于光強(qiáng)高于 多光子吸收閥值的 被照射范圍 。 依照一般 的激光脈沖 準(zhǔn)則 來(lái) 講 ,低于十皮秒延續(xù) 時(shí)間的激光脈沖 是被歸納到 短脈沖 中的 。 甚至和擁有很高 熱擴(kuò)散系數(shù)的金屬 作比較 ,在擁有一百飛秒的 脈沖寬度 的情況下 ,僅有一納米 的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度 可以被 激光照射 實(shí)現(xiàn) ,故總體上能夠不考慮 熱擴(kuò)散問(wèn)題。 另外， 熱擴(kuò)散 現(xiàn)象的消失， 熱影響區(qū) 也不可能出現(xiàn)，同樣能夠讓 結(jié)構(gòu) 毀壞 的沖擊波 也無(wú)法出現(xiàn)，那么 臨近結(jié)構(gòu)組織就 無(wú)法被毀壞， 微裂紋 也無(wú)法出現(xiàn) ,進(jìn)而 激光微細(xì)加工的 精密度與品質(zhì)被打大大增強(qiáng)了 。 （ 3） 飛秒激光加工對(duì)材料 具有很大的寬容性， 任何材料 都 可以 被 進(jìn)行精細(xì)修復(fù)、加工和處理。在透明 物質(zhì)里 ,激光光子的能量 低于 束縛電子的電離能 ，但是利用老式 的激光加工 技術(shù) ,物質(zhì)線性吸收的能量 桎梏一般不可能被打破 。在同一時(shí)間段， 破壞損傷又 無(wú)法被實(shí)現(xiàn)，故而 光學(xué)透明 物質(zhì)的里面部分可以運(yùn)用 飛秒激光對(duì) 其實(shí)現(xiàn) 三維結(jié)構(gòu)微