飛秒激光器(Femtosecond Lasers)是可以發(fā)射脈沖寬度小于1ps的激光器，也就是說(shuō)脈沖寬度在飛秒時(shí)間域內(nèi)（1 fs = 10?15?s）。飛秒激光器常用被動(dòng)鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖，將可飽和吸收體放在激光諧振腔內(nèi)，當(dāng)其上能級(jí)壽命小于光脈沖在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間2L/c時(shí)，則可得到一系列鎖模脈沖。
飛秒激光器的主要類型
固體飛秒激光器
被動(dòng)鎖模固體飛秒激光器能發(fā)出高質(zhì)量的超短飛秒脈沖激光，典型的脈沖寬度從10 fs至幾百fs。各種二極管抽運(yùn)激光器，如基于摻釹或摻鐿的增益媒介，在這種體系中，典型的平均輸出功率在100 mW和10w之間。應(yīng)用先進(jìn)的色散補(bǔ)償?shù)拟佀{(lán)寶石激光器甚至可適用于持續(xù)時(shí)間小于10 fs的脈沖，極限情況下可以達(dá)到約5 fs。飛秒振蕩器脈沖重復(fù)頻率在大多數(shù)情況下為50 MHz到500 MHz，飛秒放大器可實(shí)現(xiàn)mJ至J的單脈沖能量輸出，重復(fù)頻率通常在1MHz以下。
飛秒光纖激光器
大多數(shù)情況下飛秒光纖激光器也采用被動(dòng)鎖模機(jī)制，提供的典型脈沖持續(xù)時(shí)間在30到500 fs，重復(fù)頻率20MHz到GHz。飛秒光纖激光器平均功率通常不高，從mW至5W不等，但是可通過(guò)與光纖放大器結(jié)合，可擁有更高的平均功率和脈沖能量。目前飛秒光纖激光器技術(shù)日趨成熟，在很多科研和工業(yè)應(yīng)用中正逐步取代固體飛秒激光器。
染料激光器
鈦藍(lán)寶石激光器出現(xiàn)之前，超短脈沖產(chǎn)生領(lǐng)域由染料激光器主導(dǎo)。染料激光器的增益帶寬允許脈沖持續(xù)時(shí)間為10 fs級(jí)別，不同的激光染料適用于各種發(fā)射波長(zhǎng)，且常在可見(jiàn)光譜的范圍內(nèi)。由于染料激光器一些處理中的缺點(diǎn)，飛秒染料激光器不再經(jīng)常使用。
半導(dǎo)體飛秒激光器
一些鎖模二極管激光器可以產(chǎn)生飛秒級(jí)別的脈沖。在激光器的直接輸出端，脈沖持續(xù)時(shí)間通常至少幾百飛秒，但利用外部脈沖壓縮，可以獲得脈寬更短的脈沖。 被動(dòng)鎖模的垂直外腔面發(fā)射激光器(VECSELs)也是可能實(shí)現(xiàn)的；這種類型的激光器受關(guān)注，主要是因?yàn)樗梢蕴峁┮环N結(jié)合的特點(diǎn)，短脈沖持續(xù)時(shí)間，脈沖重復(fù)率高，時(shí)而有很高的平均輸出功率，但是它不適合于很高的脈沖能量。
飛秒激光器典型應(yīng)用：
太赫茲：
太赫茲介于遠(yuǎn)紅外和微波之間，通常把 0.1-10THz 頻段被稱為太赫茲波段。飛秒激光作為產(chǎn)生太赫茲的工具之一，可激發(fā)光電導(dǎo)天線PCA、非線性晶體（ZnTe、LiNbO3、DAST 等）產(chǎn)生短脈沖寬光譜太赫茲輻射。目前常見(jiàn)的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)、太赫茲近場(chǎng)掃描成像系統(tǒng)等均配備800nm或1.5um飛秒激光器。
太赫茲近場(chǎng)掃描成像原理圖
超快光譜：
時(shí)間分辨光譜學(xué)是應(yīng)用非常成功或者是應(yīng)用較廣泛的飛秒激光技術(shù)。物質(zhì)是由分子和原子組成的，但是它們不是靜止的，都在快速地運(yùn)動(dòng)著，這是微觀物質(zhì)的一個(gè)非常重要的基本屬性。飛秒激光的出現(xiàn)使人類次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動(dòng)過(guò)程。它主要是把超短脈沖作為一種拍攝超快物理過(guò)程的瞬態(tài)攝影設(shè)備，就好像幾十年前用于拍攝穿越蘋(píng)果和牛奶滴落的閃光高速攝影像機(jī)（微秒量級(jí)）一樣。
高速電子測(cè)試：
高速電子設(shè)備開(kāi)發(fā)過(guò)程中測(cè)試是非常重要一環(huán)，而測(cè)試設(shè)備往往比被測(cè)試的設(shè)備速度還慢。現(xiàn)在較快的電子設(shè)備達(dá)到了ps范圍，那么飛秒激光可以很容易的產(chǎn)生亞ps的電子脈沖對(duì)高速電子設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。
激光-等離子體相互作用：
用光強(qiáng)大于1013W/cm2的激光照射固體材料時(shí)，可以將原子中的電子電離出來(lái)，形成激光誘導(dǎo)等離子體。在100fs的時(shí)間尺度上，等離子體中的自由電子來(lái)不及逃逸，可以研究溫度高達(dá)百萬(wàn)度的密度與固體相近的等離子體
飛秒激光等離子體絲 LIBS 實(shí)驗(yàn)裝置圖
短波長(zhǎng)輻射產(chǎn)生：
高強(qiáng)度可見(jiàn)光波段超短脈沖激光可以通過(guò)更高階次非線性諧波產(chǎn)生過(guò)程或泵浦x射線激光器來(lái)產(chǎn)生真空紫外和x射線波段的相干短波輻射。例如相干短波輻射可用來(lái)研究DNA的微觀結(jié)構(gòu)
光通信：
低傳輸損耗光纖具有可和100fs脈沖相比的帶寬，因此超短脈沖技術(shù)在光通信中將扮演重要角色。目前亞皮秒脈沖已經(jīng)被應(yīng)用在傳輸速率達(dá)到Tbits/s的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中。在這方面，超短脈沖技術(shù)不僅僅在超短脈沖的產(chǎn)生方面重要，在信號(hào)處理、數(shù)據(jù)檢測(cè)、用于辨別和優(yōu)化超短脈沖傳輸?shù)南冗M(jìn)測(cè)量學(xué)方面也同樣重要。另外，對(duì)于WDM系統(tǒng)，超短脈沖具有極寬的帶寬，因此能提供更多的信道。
生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用：
飛秒激光在生物醫(yī)學(xué)成像方面有大量的應(yīng)用，例如在散射介質(zhì)中光學(xué)成像以及獲得高分辨率的深度信息，例如OCT。在共焦顯微成像系統(tǒng)，基于雙光子激發(fā)提高空間分辨率已經(jīng)被演示。超短激光脈沖具有高峰值功率，低激光能量的特點(diǎn)使其在激光*中具有重要作用，可以避免熱效應(yīng)導(dǎo)致的敏感組織的附帶損傷。
植物根莖雙光子顯微成像
材料微加工：
高功率激光已經(jīng)被用在很多工業(yè)領(lǐng)域，例如切割和打孔。對(duì)于連續(xù)激光和長(zhǎng)脈沖激光，切割的尺寸限制和加工質(zhì)量被激光焦點(diǎn)對(duì)周圍物質(zhì)的熱擴(kuò)散所限制。利用飛秒激光，可以使用低能量、高峰值功率的激光進(jìn)行材料處理，能夠產(chǎn)生新的物理機(jī)制，減少材料的熱堆積，提高切割和打孔質(zhì)量。
激光控制化學(xué)：
通過(guò)對(duì)飛秒激光的波前進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)來(lái)影響光致光學(xué)反應(yīng)過(guò)程，利用時(shí)間分辨光譜觀察化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，更進(jìn)一步的發(fā)展是控制化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。由于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程在幾十到幾百飛秒時(shí)間內(nèi)，所以飛秒激光脈沖是非常合適的工具
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