FSL1030X1掺镱飞秒光纤激光器

原创 ytterbia Thorlabs索雷博

FSL1030X1掺镱飞秒光纤激光器
µJ级能量、1~11MHz可调重频、<220fs脉宽

借着FSL1030X1掺镱飞秒光纤激光器推出之际，jin 天 我们回顾一下Thorlabs超快激光和多光子显微镜研讨会的部分内容，介绍超快脉冲的产生和主要参数。

从连续光到超快脉冲

理想的连续光具有确定的频率、波长和周期，可用正弦电磁波表示。连续光只需通过一些简单的测量就能表征。功率作为驱动非线性过程的重要参数，等于能量与时间之比。

超快脉冲可通过一系列不同波长(或频率)的连续光合成。由于电磁场的叠加性质，当这些波长分量在某个时间点同相时，这些光波将通过干涉相长合成一个脉冲，其它时间点由于不同相而彼此抵消。

如果同相的连续光足够多，它们叠加后将形成强度与时间的包络，即脉冲(下图红色曲线所示)。这些连续光的频谱呈现某种轮廓(绿色曲线)，并且决定脉冲的强度轮廓。频谱宽度叫做带宽，一般以波长或频率表示，脉冲的持续时间叫做脉冲宽度，简称脉宽；两者的乘积叫做时间带宽积。带宽越宽，可合成的脉宽越窄。

脉冲：时域 vs 频域

超快光源
产生超快脉冲的两种方法：激光材料和非线性转换。

对于 di 一 种方法，下面列出了几种超快激光材料及其波长范围(带宽)。掺钛蓝宝石具有很宽的带宽，大约从700到1000 nm，既可用于产生带宽极宽、脉宽极窄的脉冲，又可用于产生脉宽较宽的可调谐脉冲。掺镱材料的带宽较窄，而掺铒材料可用于产生1550 nm通信脉冲。

非线性光源通常 shou 先 要用超快激光泵浦，它们具有非常宽的带宽。光参量振荡器(OPO)既能通过一般的带宽提供具有超宽调谐范围的100 fs脉冲，又能通过超宽带宽合成极窄脉冲，比如5 fs，以此进行 ji 端 光和物质的相互作用。

Thorlabs光参量放大器(OPA)原理图

脉宽定义

脉宽的常用定义是半高宽(FWHM)，也就是在峰高一半时所跨的宽度。不过有些场合也使用14%宽度或20 dB宽度。由于不同的定义会得出不同的数值，因此，采用相同的定义才能比较不同的脉冲。

除了脉宽，评价脉冲还要看质量。比如，上图加粗黑色曲线表示的脉冲显然就是一个低质量脉冲。FSL1030X1激光器发射干净的超快脉冲，具有行业 ling ，先 的>0.85时间斯特列尔比，而且旁瓣非常低。

重复频率(重频)

超快激光器发射脉冲串而不是单脉冲，而相邻脉冲有 yi 定 的时间差。光纤振荡器使用环形腔，而简单的自由空间振荡器基本上就是两块反射镜。脉冲在腔内振荡，到达输出耦合镜时输出一部分光，然后继续在腔内往返。相邻两脉冲到达输出耦合镜的时间延迟(腔内往返时间)决定重复频率。

光纤振荡器示意图

平均功率 vs 峰值功率
虽然功率只是能量和时间之比，但在描述脉冲时，能量和时间具体指什么呢？

平均功率相当于 yi 秒 内所有脉冲的能量。对于下面这串脉冲，整条曲线下方的面积是这 yi 秒 内的能量。假设单脉冲能量为1 nJ，相邻脉冲的间隔是10 ns，即重复频率是100 MHz，所以总能量为0.1 J，而平均功率为100 mW。这相当于Tiberius®可调谐飞秒激光打在功率探头时测量的功率。

1 s == 10^8 pulses
1 nJ * 10^8 / 1 s = 100 mW

对于双光子激发等非线性过程，关键参数是峰值功率，所以要看单脉冲。此时的能量为单脉冲能量，时间是脉冲持续时间，即脉宽。假设单脉冲能量是1 nJ，脉宽是100 fs，通过两者相除算出峰值功率是100 kW。

测量超快脉冲的轮廓通常不能只使用光电探测器，还要使用非线性光学设备，用自己测自己：自相关。自相关仪可以测量超快脉宽，而频率分辨光学门(FROG)可以测量更完整的脉冲信息。有趣的是，这些超快测量技术都沿用了动物名字的传统。

l FROG, 青蛙

l CRAB, 螃蟹

l FISH, 鱼

l SPIDER, 蜘蛛

l TADPOLE, 蝌蚪

l GRENOUILLE (French), 青蛙

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