1背景介紹
自從 1965年人們利用被動鎖模技術在紅寶石激光器上直接產生皮秒級超短激光脈沖以來 ,超短脈沖技術的發展異常迅速。摻稀土元素光纖激光器也在 60年代出現 ,但由于早期光纖材料的損耗很大 ,因此 , 80年代以前其進展緩慢。進入 80年代以后 ,由于光纖通訊技術的發展及光纖材料特別是摻稀土元素光纖材料和新的激光泵浦技術的發展 ,光纖激光技術研究受到世界各國的普遍重視 ,目前已成為激光技術領域一個十分活躍的前沿研究方向。 
90年代初 ,光纖超短脈沖光源在光纖通訊系統中的應用得到了進一步的發展 ,特別是在1. 55μm窗口 ,摻 Er3+ 光纖超短光脈沖激光器伴隨著摻Er3+ 光纖放大技術的成熟得到了很大的發展。以光纖作基質的光纖激光器閾值低、波長可調諧 ,是目前光通信領域的新興技術 ,它支持更高的傳輸速度 ,是未來高碼率密集波分復用系統和相干光通信的基礎。其他稀土摻雜元素的光纖超短脈沖激光器在光纖通信、醫療和生物學等領域也具有誘人的應用前景。
2超短脈沖光纖激光器原理及特點
光纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質 ,比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有 Er、 Yb、 Nd、 Pr、 Tm、 Ho。光纖激光器由泵浦源、增益介質、腔鏡組成。其中, LD發出的泵浦光經光纖耦合器進入光纖,使光纖中摻雜元素原子激發。腔鏡為二色鏡,反射輸出激光,對泵浦光增透。與固體激光器相同,光纖激光器也是根據鎖模原理產生短脈沖激光輸出的。光纖激光器在增益帶寬內的大量縱模上運轉時,當各縱模相位同步,任意相鄰縱模相位差為常數時實現鎖模,諧振腔內循環的單個脈沖經過輸出耦合器輸出能量。根據鎖模方式不同,可分為主動鎖模光纖激光器和被動鎖模光纖激光器。由于主動鎖模調制能力有限,限制了鎖模脈沖的寬度,脈沖寬度通常為ps量級。被動鎖模或自鎖模光纖激光器是利用光纖或其它元件中的非線性光學效應實現鎖模的 ,激光器結構簡單 ,在一定條件下不需要插入任何調制元件就可以實現自啟動鎖模工作。通常自啟動被動鎖模光纖激光器可以輸出 fs量級的超短脈沖由塊狀工作物質及各種光學元件組成的傳統固體激光器存在體積大、質量大、結構松、可靠性差等缺點。而光纖激光器有以下特點: （ 1） 增益介質長 ,能方便地延長增益長度使抽運光充分吸收 ,光 -光轉換效率超過 60% ; （ 2） 光纖激光器表面積/體積比大 ,其工作物質的熱負荷相當小 ,光纖中的場主要約束在纖芯內 ,使纖芯中的場強很大 ,加之光纖的低損耗又使這種高光強可以保持很長距離,能產生甚高亮度和甚高峰值功率（ 140 mW /cm2）;（ 3） 易實現單模、單頻運轉和超短脈沖 （ fs） ; （ 4）光纖激光器體積小且結構簡單,工作物質為柔性介質 ,使用方便; （ 5） 激光器可在很寬光譜范圍內（ 455～ 3 500 nm）設計與運行 ,使光纖激光器可調。由于光纖激光器具有以上特點 ,因此采用光纖作為振蕩器產生超短脈沖激光比傳統固體激光放大器更具優勢。2
3短脈沖光纖激光器的應用
飛秒激光精細材料加工
飛秒激光具有超短的脈沖寬度（10s）,很高的峰值功率（可達10w）和功率密度（10w/cm）,超微細加工是飛秒激光技術的重要的應用領域。
這一應用經過發展,已有了不少重要的進展。飛秒激光超微細加工與*的制造技術緊密相關,對某些關鍵工業生產技術的發展可以起到更直接的推動作用。與傳統的加工用激光器如二氧化碳激光器、摻欽憶鋁石榴石等激光器相比,由于飛秒激光加工產生的熱影響區域非常小,能夠得到更高的加工精度。通常,按激光脈沖標準來說,持續時間大于皮秒（相當于熱傳導時間）的激光脈沖屬于長脈沖,用它來加工材料,由于熱效應使周圍材料發生變化,從而影響加工精度。而脈沖寬度在皮秒以下的飛秒激光脈沖則擁有*的材料加工特性,脈沖時間遠小于材料中受激電子通過轉移、轉化等形式的能量釋放時間從根本上避免了熱擴散的存在和影響,沒有熱效應、加工孔徑的熔融區很小或者沒有;可以實現多種材料,如金屬、半導體、透明材料內部甚至生物組織等的微機械加工、雕刻;加工區域可以小于聚焦尺寸,突破衍射極限等等。飛秒激光系統己用于大規模集成電路芯片的光刻工藝中;用飛秒激光進行切割,幾乎沒有熱傳遞,這種激光束能安全地切割高爆*;飛秒激光能用于切割易碎的聚合物,而不改變其重要的生物化學特性。此外,醫學領域己將它作為超精密*刀,飛秒激光的熱影響很小,用它做*不會損傷周圍的其他組織,對于心肌梗塞、眼科手術、齒科治療,飛秒激光也是理想的選擇。
光學相干斷層掃描技術
光學相干斷層掃描技術（光學相干層析技術,Optical Coherence Tomography, OCT）是近十年迅速發展起來的一種成像技術,OCT早是卡爾·蔡司于上世紀90年代發明的,到現在己有3-5代。它利用弱相干光干涉儀的基本原理,檢測生物組織或者患者病患部位不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號,通過掃描,可得到生物組織二維或三維結構圖像,圖像分辨率高可以達到到1u m,這一分辨率比其他的成像技術,如核磁共振成像或超聲波CT,都要高。根據成像原理,OCT對光源的要求有幾個基本要求:
1.近紅外,使光線在生物組織中具有合適的穿透力,由于藍光和紫外等短波長的光波在組織內會發生較較強烈的散射,只能穿透表皮附近的幾百微米的厚度,所以不適合用作OCT的光源;而光波長大于2500nln,水分子的共振吸收將同樣把成像深度限制在表皮下幾百微米的范圍內,所以佳的探測波長在1200-1800nm范圍內;
2.短的相干長度,以實現高空間分辨率,一般來說光譜越寬則可以獲得越高的空間分辨率和圖像對比度;但寬光譜成像需要考慮修正常色散效應和色差的影響;3.高照度,由于生物組織的背向反射和散射信號比較微弱,因而對光源的強度有一定的要求,以提高圖像的信噪比。
使用的光源主要有ELED、SLD光源等。一般使用廣的是紅外波段的SLD光源,但它的相干長度通常在ZOum左右,不足以達到某些高空間分辨率的應用要求;ELED光源相干長度較短,但發射光功率較低;而飛秒激光器非常適合用于作為OCT的光源,可以較好地符合上面提到的對光源的三個要求。已有關于欽藍寶石鎖模激光器和鉻鎂橄欖石鎖模激光器產生的飛秒激光用于OCT的光源的研究,其具有的寬光譜可以實現高分辨率,高脈沖功率使得快速掃描得以實現。然而欽藍寶石鎖模激光器價格昂貴且體積大,便攜性很差,一般只能在固定場合使用。工作在1.5um波段的摻餌光纖飛秒激光器具有和欽藍寶石飛秒激光器同樣的光譜和時域特性,并且更加輕便緊湊,可以彌補欽藍寶石鎖模激光器在便攜性方面的缺點,但國內外在這方面的應用研究的報道還較少。
太赫茲波產生技術
太赫茲波（Terahertz從/aVe,THz）,是指頻率在0.1-10THz范圍內的電磁波（1THz一10Hz）,其波段位于毫米波和遠紅外光之間（30um-3mm）,是光子學技術與電子學技術、宏觀與微觀的過渡區域。
由于物質在太赫茲波頻段的發射、反射和透射光譜中包含有豐富的物理和化學信息,并且太赫茲波輻射源與傳統光源相比,具有相干性、低能、高穿透性等*、優異的特性,與太赫茲輻射相關的太赫茲波技術逐漸成為國際研究的熱點。它在物理、化學、天文學、生命科學和醫藥科學等基礎研究領域,以及安全檢查、醫學成像、環境監測、食品檢驗、射電天文、衛星通信和武器制導等應用研究領域均具有巨大的科學研究價值和廣闊的應用前景。太赫茲波頻段是一個非常具有科學研究價值但又尚未充分研究開發的電磁輻射區域,早在20世紀20年代太赫茲波就引起了人們的興趣。但一直缺少高能,且廉價實用的太赫茲波段的產生技術和有效的檢測手段,成為限制現代太赫茲技術發展的主要因素,使得人們對這個頻段的電磁波特性和應用知之甚少,形成了遠紅外線和毫米波之間的太赫茲空白。近年來,伴隨著激光技術、量子技術和化合物半導體、超快技術等的迅猛發展,為實現穩定可靠的太赫茲波發射源提供了可能。根據太赫茲波產生的方式以及它所處電磁波譜中的位置,太赫茲波輻射可以利用光學技術和電子學技術兩種方法來產生。常見的電子技術產生太赫茲波的方法有加速電子產生法等。光學產生方法主要有太赫茲波氣體激光器、光整流、光電導以及非線性光學差頻等方法,其中涉及到超短脈沖激光的是光整流方法和光電導方法。其中光整流方法（Optical Rectification）是*利用光學手端的產生方法,它利用超短激光脈沖,可以產生寬帶亞皮秒脈沖的太赫茲輻射。光整流效應是一種非線性效應,直接利用高峰值功率的飛秒激光脈沖和非線性介質（如ZnTe、GaP、GaAs）相互作用,通過二階和高階非線性過程而產生低頻電極化場,此電極化場在非線性介質表面輻射出太赫茲輻射,太赫茲光束的能量*來自激光脈沖,轉換效率取決于激光脈沖功率、非線性系數和相位匹配條件。
光電導是另一種綜合利用電學技術和超短激光脈沖產生太赫茲輻射的方法。
光電導天線又稱光電導開關（Photoconductive Swatch）,其基本原理是利用飛秒激光脈沖觸發直流偏置下的光電半導體,當入射飛秒脈沖的光子能量大于半導體的禁帶寬度,光子能量被吸收,半導體表面瞬時產生大量自由電子一空穴對,泵浦飛秒激光脈沖產生的載流子會在半導體表面產生瞬間變化的電流,從而產生向外輻射的太赫茲輻射飛秒脈沖。泵浦脈沖在整個過程中就像一個開關,負責打開電流,因而被稱為光電導開關。影響發射性能的因素主要有半導體基底的選擇、光電導天線的幾何結構以及泵浦激光脈沖的參數。現用作激光的飛秒光源有欽藍寶石鎖模激光器、鎖模光纖激光器。相比而言,鎖模光纖激光器結構更為緊湊,體積相對較小,成本也較低。光電導產生的太赫茲輻射具有較高的增益。其能量主要來自天線上所加的偏置電場。通過調節外加電場,只需中等強度的激光輸入便可獲得很強的太赫茲輸出。
超短脈沖激光器直接的應用就是作為超快光源 ,形成多種時間分辨光譜技術和泵浦 /探測技術 ,作為飛秒固體激光放大器的種子光源 ,可用于光纖型光參量振蕩器與放大器系統 ,并可使用周期性極化鈮酸鋰 （ PPLN）進行倍頻或頻率轉換。它的發展帶動了物理、化學、生物、材料與信息科學的研究進入微觀超快過程領域。 超短脈沖光纖激光器在通信、軍事、工業加工、醫學、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領域具有廣闊的應用前景。
超短光脈沖發生技術是實現超高速 OTDM系統的必要條件之一。 發送的信號光脈沖越窄 ,單位時間內發送的脈沖就越多 ,傳輸的信息量就越大。 模同步摻鉺光纖環形激光器溫度穩定 ,產生的脈沖幾乎沒有啁啾 ,在高頻條件下 ,不需要進行啁啾補償或脈沖壓縮就能產生 10 ps 以下的超短脈沖。
參考資料
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