飛秒激光器設(shè)計(jì)需要遵循哪些準(zhǔn)則？現(xiàn)根據(jù)自己的研究范圍提供一些經(jīng)驗(yàn)和意見(jiàn)。

首先，要確認(rèn)你需要的激光器輸出參數(shù)，然后反推你需要什么樣的腔型、晶體、鏡片等等。比如你需要單脈沖能量不大，重頻很高，脈沖較短，那皮秒飛秒的振蕩器就足夠了。什么矩陣、腔型模擬都不用算，直接照經(jīng)驗(yàn)照文獻(xiàn)懟~

比如最基本的固體飛秒振蕩器，如果要20fs左右短脈沖，就需要寬光譜，兩個(gè)凹面鏡腔鏡的曲率半徑就不能大，R=100或者R=75、50都可以，取決于你想輸出的激光參數(shù)。這里需要知道一條——任何參數(shù)的追求都是有成本的，你只能根據(jù)你的需要取一個(gè)平衡。腔鏡曲率半徑小，則脈沖運(yùn)行時(shí)的晶體內(nèi)束腰半徑小，好處是克爾透鏡作用強(qiáng)烈，鎖模后輸出的光譜較寬;缺點(diǎn)是穩(wěn)區(qū)邊緣較窄，不太好找。穩(wěn)區(qū)邊緣就是看腔鏡距離變化時(shí)長(zhǎng)臂、短臂端鏡上的光斑大小變化。變得超大時(shí)腔就非穩(wěn)了，就沒(méi)光了。鎖模通常在穩(wěn)區(qū)上邊緣或者下邊緣，這里對(duì)于脈沖或者連續(xù)光有很好的鑒別能力，脈沖損耗小出光，連續(xù)損耗大嗝屁，然后就出CW鎖模了。如果連續(xù)光損耗小，則看光譜中有直流成分，調(diào)節(jié)腔鏡再往非穩(wěn)走一點(diǎn)，直流就沒(méi)了。

如果需要7fs、5fs左右的短脈沖，其鎖模后的光譜寬度可能達(dá)到甚至超過(guò)了熒光發(fā)射譜線，怎么搞?用輸出較小的輸出鏡，比方說(shuō)0.5%，然后因?yàn)檩敵鲂×?，腔?nèi)的脈沖能流密度就強(qiáng)了，在強(qiáng)烈的克爾透鏡也就是自相位調(diào)制效應(yīng)下(一個(gè)是空間，一個(gè)是光譜)，脈沖光譜會(huì)大大增寬，經(jīng)精密的色散控制后輸出亞十飛秒的輸出激光。但是還要考慮像散的問(wèn)題，脈沖太短時(shí)，腔內(nèi)的束腰會(huì)發(fā)生移動(dòng)，需要增大腔鏡的折疊角提供像散，抵消晶體像散。見(jiàn)張志剛《飛秒激光技術(shù)》和 Xu Lin “High-powersub-10-fs Ti:sapphire oscillators” APB， 一篇Invited paper，講的很細(xì)。Kartner手下牛人輩出啊【1-3】。

晶體的選擇上，比如最基本的鈦寶石固體激光器，晶體太長(zhǎng)的話(huà)你的色散補(bǔ)償不好做，因此都盡量用較短的晶體;晶體的吸收率上，用高摻雜的話(huà)可以提高功率，低摻雜的話(huà)泵光很強(qiáng)，克爾效應(yīng)容易啟動(dòng)，所以最好取適中的參數(shù)。單通吸收率LPSP一般在70%。

再比如你需要低重頻的振蕩器，做微加工什么的，不妨選用脈沖不太短，比如50fs的，然后可以在腔內(nèi)加一個(gè)望遠(yuǎn)鏡超長(zhǎng)腔，把腔長(zhǎng)拉個(gè)幾十米，重頻就下來(lái)了。依然不需要算腔，用曲率半徑大一點(diǎn)比如200mm的，晶體長(zhǎng)一點(diǎn)比如7-10mm，功率高一點(diǎn)比如20W，但是這樣就需要將晶體制冷來(lái)降低一下熱透鏡了。鎖模不好啟動(dòng)，就將原短臂改造成一個(gè)凹面鏡和SESAM，然后就不是單純的克爾透鏡鎖模，而是根據(jù)可飽和吸收的原理啟動(dòng)鎖模，再利用克爾透鏡獲得短脈沖的被動(dòng)鎖模了。望遠(yuǎn)鏡超長(zhǎng)腔照片：

再比如你需要高重頻短脈沖振蕩器，比如1GHz以上，那超短腔也夠嗆，就需要F-P腔濾波了。

你要確定你的脈寬、能量、重復(fù)頻率、平均功率、光學(xué)元件損傷閾值等一系列參數(shù)，再進(jìn)行合理的選擇。

比如你要kHz高功率腔內(nèi)倍頻的納秒光，那我也不懂。主要就是側(cè)泵二極管、晶體、AOM選好就行了，感覺(jué)腔型沒(méi)啥設(shè)計(jì)的，就是高功率，算一下熱穩(wěn)定性，盡量用大模場(chǎng)提高泵光利用率，然后根據(jù)晶體的大小進(jìn)行自孔徑選模。LBO什么的就是要足夠長(zhǎng)、恒溫爐足夠靠譜。至于鏡架什么的，能用撓性形變最好，嫌貴的話(huà)就全用固定的，直接裝上去甚至直接把鏡片焊到外殼上去，留兩個(gè)端鏡和LBO可調(diào)就行了。

多通沒(méi)什么講的，就是光斑控制，空間重合。玩花樣不外乎自成像法和熱透鏡通道。就講再生好了。

只要是高能量、高功率諧振腔，謹(jǐn)記兩點(diǎn)：熱穩(wěn)定性、腔型失調(diào)靈敏性【4】。

上圖——

橫坐標(biāo)是熱透鏡的倒數(shù)，也就是熱透鏡光焦度;

左縱坐標(biāo)是腔失調(diào)靈敏性，它的定義是：調(diào)節(jié)諧振腔端鏡直至激光模式無(wú)法維持在泵光區(qū)域的最大角度的倒數(shù)。說(shuō)人話(huà)，就是可調(diào)節(jié)的角度越大，激光腔對(duì)調(diào)節(jié)精度的要求越小，也就越容易出光。因此通常設(shè)計(jì)諧振腔時(shí)應(yīng)保證靈敏度在2000/rad以下，否則普通實(shí)驗(yàn)者很難調(diào)節(jié)出光。

右縱坐標(biāo)是不同熱透鏡對(duì)應(yīng)的晶體內(nèi)基橫模直徑。

通常如果要求放大效率，當(dāng)然選擇穩(wěn)定腔，這樣衍射損耗小，放大效率高，只要滿(mǎn)足泵光、激光模式的光斑匹配就行了。如果是注入種子放大，要滿(mǎn)足三光匹配，即泵光、激光、種子光的模體積重合。

但是高功率泵浦還有一個(gè)問(wèn)題，就是光斑模式惡化的問(wèn)題。我們可以選擇低溫制冷來(lái)控制晶體熱效應(yīng)，因?yàn)閷?duì)于晶體而言，特別是鈦寶石，溫度越低則導(dǎo)熱率越高，熱效應(yīng)越小。鈦寶石在50K制冷下熱導(dǎo)率堪比紫銅甚至金剛石，熱透鏡很小，對(duì)腔型影響就很小。但如果熱效應(yīng)影響較大，就要設(shè)計(jì)成熱不靈敏腔，公式是dw/d φ =0，w是腔內(nèi)激光半徑， φ 是熱透鏡光焦度。也就是不管泵浦功率怎么變，腔內(nèi)基模模場(chǎng)大小不變或者變化很小。這樣就可以保證穩(wěn)定的放大輸出。

但是如果效率很高，則不止TEM00模起振，高階模也會(huì)起振，這大大影響了光斑質(zhì)量，我們需要剔除掉高階模，一個(gè)有效的方法是用臨界腔或者非穩(wěn)腔。非穩(wěn)腔對(duì)于高階模有很好的鑒別能力。你可以搞個(gè)軟件算一下，根據(jù)非穩(wěn)腔的參數(shù)選鏡片搭;或者直接用穩(wěn)腔來(lái)算，如果鈦寶石處光斑模式變得很大很大，那就接近unstable了。這時(shí)雖然不好出光，但高功率泵浦下一旦出光，光束質(zhì)量杠杠的。

介紹一個(gè)時(shí)下最流行的腔型：

兩個(gè)R=900mm的凹面反射鏡和兩個(gè)R=-1000mm的凸面反射鏡構(gòu)成。凹面鏡和凸面鏡的間距為450mm，兩個(gè)凸面鏡之間的間距為490mm，鈦寶石晶體介于兩個(gè)凸面鏡正中間。好處有幾個(gè)：

第一，它是一種比較接近臨界腔、非穩(wěn)腔的再生腔。我們知道腔型穩(wěn)定與否并不意味著能否穩(wěn)定起振，而只是反映諧振腔衍射損耗大小的一個(gè)判據(jù)。通常當(dāng)/A+D/<2時(shí)腔內(nèi)衍射損耗較小，諧振腔易于起振出光，但泵浦光功率密度較高時(shí)也容易造成腔內(nèi)高階模的起振，影響最終的放大光光斑質(zhì)量。而該腔型在有泵浦光熱透鏡時(shí)的穩(wěn)定條件接近1，會(huì)使得高階模損耗增大，從而保證腔內(nèi)只有基橫模振蕩。

第二，泵浦光在腔內(nèi)還形成了軟光闌的作用，使得放大過(guò)程中與泵光大小不匹配的模式被光闌濾掉，在較大的泵浦功率密度下具有較高的耦合效率，且腔內(nèi)激光光斑大小分布并不嚴(yán)格依賴(lài)于泵浦光模場(chǎng)大小，對(duì)于高功率泵浦的小模場(chǎng)光斑與大能量泵浦的大模場(chǎng)光斑都有很好的適應(yīng)能力。通常，縮小晶體上的泵光光斑大小都會(huì)起到改善光束質(zhì)量的效果，因?yàn)楦唠A模在晶體位置處的光斑通常較大，泵光較小時(shí)高階模獲得增益較小，不易得到放大。

缺點(diǎn)就是由于接近非穩(wěn)腔，諧振腔的衍射損耗大，指向靈敏性很高，比較難調(diào)出光，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的調(diào)腔水平要求較高。

為了協(xié)調(diào)高功率諧振腔的光斑質(zhì)量以及腔失調(diào)靈敏性的矛盾，我設(shè)計(jì)了以下腔型結(jié)構(gòu)的線形直腔。最終由4個(gè)反射鏡和一個(gè)薄透鏡組成，M4為R=900mm的凹面鏡，L1為f=800mm的透鏡，M1為0°平面反射鏡，M2和M3為45°平面反射鏡，作用僅為折疊光路，使整個(gè)再生腔的體積更小，光路更緊湊。普克爾盒靠近M1，格蘭棱鏡位于L1和M1之間，這是因?yàn)檫@里對(duì)應(yīng)的激光模式近似準(zhǔn)直光，這樣就不需要特別考慮種子光的模式匹配，以及放大后輸出激光的擴(kuò)束準(zhǔn)直了。整個(gè)腔長(zhǎng)約1.6m，激光在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間間隔為10ns左右。

這個(gè)腔型的核心在于選擇了透鏡作為腔鏡。很顯然，移動(dòng)反射鏡腔鏡的時(shí)候，對(duì)鏡子的角度失調(diào)要求很高——你以為你在平移，但其反射光難免會(huì)有角度變化，于是就沒(méi)光了，很難連續(xù)觀察;但如果腔內(nèi)最核心的鏡子是個(gè)透鏡，則隨便平移，不會(huì)改變透射光方向，很難沒(méi)光，就可以連續(xù)監(jiān)測(cè)腔內(nèi)模式變化。

這個(gè)腔型的重點(diǎn)是：鏡子放在使腔內(nèi)放大效率最高的位置，此時(shí)腔靈敏性低，很容易調(diào)節(jié)出光，出光之后平移透鏡，使基模的腔內(nèi)本征模與泵光完全匹配，則光束質(zhì)量較好，觀察輸出光斑可以看到衍射環(huán)從強(qiáng)到消失再變強(qiáng)，說(shuō)明通過(guò)移動(dòng)透鏡可以改變腔內(nèi)激光和泵光的模體積重合度，并提高輸出光斑質(zhì)量，抑制高階模。這樣既容易出光，又可調(diào)節(jié)光束質(zhì)量，達(dá)到光束質(zhì)量和放大效率的最佳平衡點(diǎn)。反射鏡就不能這樣調(diào)了。

至于算腔軟件，有了最好，不要盡信。腔內(nèi)影響模式分布的元素多了，比如算腔都是在假定光學(xué)元件尺寸無(wú)限大的前提下的，而實(shí)際的光學(xué)元件尺寸都有限，然后怎么算?我一直想找包含光闌的算腔軟件，不過(guò)沒(méi)有。比如在高功率泵浦下，

泵光引起的相位畸變

你的泵光引起的相位畸變?nèi)鐖D所示：假設(shè)熱透鏡1m，那么晶體中的熱透鏡效應(yīng)減去1m的相位畸變后，泵光范圍外會(huì)有很強(qiáng)烈的熱透鏡引起的相位畸變，這部分光根本難以在腔內(nèi)往返振蕩，于是泵光引起的熱透鏡以及增益就間接形成一個(gè)軟邊光闌。激光模式小于泵光效率不高，等于泵光效率最高，大于泵光則效率沒(méi)有影響，而是看到一點(diǎn)衍射環(huán)。如果采用高斯光束的泵光泵浦，則衍射環(huán)也沒(méi)有，效率棒棒的。

另外就是腔長(zhǎng)、元件功率密度控制了。再生腔長(zhǎng)取決于普克爾盒，比如線形腔，普克爾盒門(mén)寬最窄8ns，在四分之一波電壓型再生腔中，普克爾盒通常遠(yuǎn)離鈦寶石，在腔內(nèi)另一端，電壓的上升沿差不多小于整個(gè)腔內(nèi)的往復(fù)時(shí)間即可，比如1.6m的腔長(zhǎng)，腔內(nèi)振蕩一次時(shí)間約10ns，可以滿(mǎn)足普克爾盒導(dǎo)入導(dǎo)出的需求。

飛秒再生放大器中，待放大的脈沖為經(jīng)展寬器展寬后的皮秒脈沖，如通常采用的馬丁內(nèi)茲展寬結(jié)構(gòu)展寬后的脈沖長(zhǎng)度約150ps，而大部分光學(xué)元件的損傷閾值是按納秒量級(jí)的激光測(cè)定的，我們知道，相同能量下脈寬越短對(duì)應(yīng)的峰值功率越高，越易破壞光學(xué)元件，比如10ns下?lián)p傷閾值為6J/cm2的鏡片，在150ps時(shí)損傷閾值僅為1.5J/cm2 【5】，因此在設(shè)計(jì)腔型時(shí)要讓這些易損壞的光學(xué)元件(如普克爾盒、格蘭棱鏡、反射鏡)避開(kāi)激光的束腰，使元件上的光斑盡可能地大，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命。

飛秒放大器中不止放大效率、穩(wěn)定性、光斑質(zhì)量需要注意，還有空間啁啾、增益窄化、脈沖對(duì)比度等等要求多了，當(dāng)然還有色散管理。對(duì)于不同參數(shù)需求有不同的設(shè)計(jì)技巧，這些以后再談。