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高重頻飛秒激光器的優(yōu)勢(shì)
閱讀：1146 發(fā)布時(shí)間：2022-9-1現(xiàn)代新型的固體飛秒激光器以數(shù)kHz的重復(fù)頻率工作，提供了脈沖能量和穩(wěn)定性的組合，使它們成為科學(xué)研究的激光。
在飛秒和阿秒激光科學(xué)領(lǐng)域，有人說激光脈沖能量越高越好。盡管如此，許多激光研究人員都熟悉這種令人抓狂的情況，當(dāng)能量表處于紅色時(shí)，激光電源慢慢開始冒煙，但信號(hào)仍然很弱，測(cè)量甚至需要數(shù)年時(shí)間。當(dāng)然，如果有機(jī)會(huì)，追求的脈沖能量是一種選擇，但考慮到激光近年來的發(fā)展?fàn)顩r，這是最明智的選擇嗎?
對(duì)于某些應(yīng)用，答案總是肯定的。當(dāng)研究對(duì)象是真空極化，進(jìn)行核聚變，或產(chǎn)生二階輻射的效率只有萬億分之幾時(shí)，的方法是購買你的預(yù)算能負(fù)擔(dān)得起的、最壞的激光器。
然而，在許多研究領(lǐng)域，這種粗暴的方法弊大于利。通常，將能量分散到多個(gè)脈沖中，獲得相同(或更高)的平均功率，但脈沖重復(fù)率更高。本文回顧了高平均功率、中等脈沖能量激光器可以主導(dǎo)大型強(qiáng)力高能系統(tǒng)的情況。
選擇高重頻激光的理由1：輸出穩(wěn)定性高
讓我們先來說明一個(gè)很少被宣傳的事實(shí)：過去十年或二十年出現(xiàn)的固態(tài)飛秒激光器遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于上個(gè)世紀(jì)末期開發(fā)的代啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)。其功率范圍在幾十瓦，脈沖能量約1 mJ，可以以單脈沖到幾兆赫的重復(fù)頻率工作。典型的Yb:KGW CPA激光系統(tǒng)由于直接由半導(dǎo)體激光陣列泵浦，加上巧妙的光學(xué)設(shè)計(jì)，具有的穩(wěn)定性。緊湊的體積降低了對(duì)機(jī)械振動(dòng)的敏感性，水冷的外殼使它們?cè)诃h(huán)境溫度漂移時(shí)更加堅(jiān)固。
這種泵浦能量不是來自單一的半導(dǎo)體激光器，而是來自幾十個(gè)半導(dǎo)體激光器，因此每個(gè)半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性所起的作用相對(duì)較小。最重要的是，當(dāng)激光重復(fù)頻率增加，使脈沖之間的周期小于工作物質(zhì)中激光躍遷的自然壽命時(shí)(Yb:KGW為600μs，對(duì)應(yīng)1.6 kHz重復(fù)頻率)，激光介質(zhì)本身就開始充當(dāng)?shù)屯V波器，消除了泵浦產(chǎn)生的任何不穩(wěn)定性。因此，高重復(fù)頻率激光系統(tǒng)具有非常高的功率和能量穩(wěn)定性(見圖1)。
圖1. 200 kHz 20 W飛秒激光器的功率和能量穩(wěn)定性，平均功率在12小時(shí)內(nèi)的歸一化均方根偏差(NRMSD)為0.15%，這使得功率軌跡在全尺度下與水平線幾乎無法區(qū)分(a, b)。具有代表性的10分鐘周期的脈沖分辨能量穩(wěn)定性甚至更好，NRMSD為0.07% (c)。
選擇高重頻激光的理由2：多數(shù)實(shí)驗(yàn)需要多脈沖
通常，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要平均。不管這些信號(hào)光子是大而不頻繁的地撞擊探測(cè)器，還是小的類似滴狀物一個(gè)接一個(gè)地撞擊探測(cè)器，這都無關(guān)緊要。如果，在實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)(比如1秒)，收集到相同數(shù)量的光子，最終的結(jié)果將是相同的(所有其他因素相同的情況下)。
當(dāng)然，事情很少這么簡(jiǎn)單。信號(hào)可能有一個(gè)能量閾值，除非超過它，否則測(cè)量將受到影響。但高重復(fù)率飛秒激光的能量在1 mJ或更多的范圍內(nèi)。這也是20年前Ti:sapphire CPA系統(tǒng)的典型能量，當(dāng)緊密聚焦時(shí)，這種能量足以在空氣中產(chǎn)生等離子體(見圖2)。因此，一個(gè)現(xiàn)代的Yb:KGW CPA激光器實(shí)際上是一個(gè)由10-50個(gè)以前的Ti:sapphire激光器組成的電池——電池中的每個(gè)激光器都比舊系統(tǒng)穩(wěn)定10倍。
圖2。100 kHz Yb:KGW激光400 μJ脈沖誘導(dǎo)的空氣擊穿(黃色箭頭所示的小亮點(diǎn))；屏幕背景上的大白點(diǎn)是空氣中產(chǎn)生的超連續(xù)白光。
選擇高重頻激光的理由三：多數(shù)實(shí)驗(yàn)無需使用所有可用的脈沖能量
選擇高重復(fù)率激光器的原因是，在許多情況下，實(shí)驗(yàn)條件不允許使用所有可用的脈沖能量。這一節(jié)回顧了使用飛秒激光的不同研究領(lǐng)域中的此類案例。
激光的發(fā)明催生了非線性光學(xué)領(lǐng)域，在光的電場(chǎng)開始與電子和原子核之間的庫侖吸引相競(jìng)爭(zhēng)的條件下，探索光和物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜相互作用。在這些相互作用中，轉(zhuǎn)換后的光獲得了新的頻率和奇怪而奇妙的空間特性(2)，(3)。非線性光學(xué)效應(yīng)發(fā)生在嚴(yán)格定義的光強(qiáng)度范圍內(nèi)。在凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)中，與這些強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的脈沖能量在微焦耳范圍內(nèi)。
一個(gè)很好的例子是超連續(xù)白光(WLC)的產(chǎn)生——將飛秒激光脈沖聚焦到透明介質(zhì)中產(chǎn)生寬頻帶時(shí)空相干輻射(見圖3)。在塊狀凝聚態(tài)介質(zhì)中，WLC產(chǎn)生的閾值通常為1-50 μJ，這取決于光的波長(zhǎng)和介質(zhì)的性質(zhì)。
當(dāng)超過這個(gè)閾值大約3倍時(shí)，就不再觀察到整齊的效應(yīng)：要么激光束分解成多個(gè)細(xì)絲，要么介質(zhì)發(fā)生擊穿(光學(xué)損傷)。這意味著幾乎所有超過閾值的激光脈沖能量都是不可用的。因此，為了在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生盡可能多的WLC光子，我們希望使用到達(dá)介質(zhì)的能量較低的脈沖。
圖3。由1 kHz飛秒脈沖序列(a)和100 kHz相同脈沖序列(b)在藍(lán)寶石中產(chǎn)生白光連續(xù)體(WLC)。使用相同的相機(jī)設(shè)置獲取圖像，并展示兩束光強(qiáng)度的視覺圖像。如果增加1 kHz的脈沖能量以達(dá)到相同的WLC光束平均功率，藍(lán)寶石晶體早在還未觀察到(b)中的同等亮度白光很久之前就已被損壞。
此外，WLC的這種能量依賴性對(duì)飛秒瞬態(tài)吸收光譜有重要的推論。在生物物理、物理化學(xué)、光伏、半導(dǎo)體物理等領(lǐng)域，飛秒泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員經(jīng)常選擇WLC作為探測(cè)光源。這種實(shí)驗(yàn)使用兩個(gè)激光脈沖，一個(gè)激發(fā)所研究的樣品，另一個(gè)在個(gè)脈沖之后以可控延遲到達(dá)，測(cè)量由于激發(fā)導(dǎo)致的樣品透過率的變化。
WLC作為探測(cè)光很有吸引力，它覆蓋了多倍頻程光譜范圍，允許探測(cè)所研究材料中的不同躍遷。同時(shí)，它也非常穩(wěn)定，易于生成。由于泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是樣品后的探測(cè)光強(qiáng)度之比(受激發(fā)與未受激發(fā)的透過率)，探測(cè)脈沖中的光子越多，靈敏度越高(不可能在小于1000個(gè)光子的情況下檢測(cè)到1/1000的透過率變化)。由于每秒記錄的WLC光子數(shù)是重復(fù)頻率的線性函數(shù)，在高重復(fù)頻率下實(shí)驗(yàn)的信噪比水平顯著提高(見圖4)。
圖4. 1kHz與64kHz激光重復(fù)頻率下瞬態(tài)吸收信號(hào)質(zhì)量的比較；調(diào)整激發(fā)脈沖的強(qiáng)度以產(chǎn)生相同幅度的信號(hào)。
產(chǎn)生二階輻射對(duì)每個(gè)入射泵浦脈沖的能量施加了類似的約束。最近，Baguckis等人將幾kHz Yb:KGW系統(tǒng)應(yīng)用于銅靶上生成x射線(4)。結(jié)果表明，當(dāng)激光脈沖能量在200 μJ范圍內(nèi)時(shí)，生成的x射線亮度與激光重復(fù)率呈線性關(guān)系(見圖5)。
一個(gè)鞋盒大小的20 W激光產(chǎn)生的x射線亮度可與的Ti:sapphire CPA系統(tǒng)產(chǎn)生的x射線相媲美，提供多毫焦脈沖。展望未來，將200 µJ飛秒激光縮放到更高的重復(fù)頻率是一項(xiàng)比將10 mJ激光縮放到更高脈沖能量要簡(jiǎn)單得多的任務(wù)。因此，未來的“桌面”x光可能會(huì)有更高的重復(fù)頻率。
圖5. 利用幾kHz激光在銅靶上產(chǎn)生的x射線，展示 Ka 線 X 射線能量密度與重復(fù)頻率的比例關(guān)系。
飛秒時(shí)間分辨光譜用于分析光合色素-蛋白復(fù)合物，(5)光受體蛋白(6)太陽能電池及其組件，(7)，(8)發(fā)光器件，(9)和其他光敏分子化合物(10)。大多數(shù)這些系統(tǒng)的自然條件是連續(xù)的照明，光子一個(gè)接一個(gè)到達(dá)，而不是采用高能飛秒脈沖的轟擊使得大量到達(dá)。理想情況下，人們應(yīng)該用他們需要的光來照明系統(tǒng)。然而，如果需要飛秒時(shí)間分辨率(通常情況下需要)，研究人員可能會(huì)被迫使用下一種方法：低能量脈沖。在這里，高重復(fù)率有助于積累足夠的信號(hào)，從而得到有意義的科學(xué)結(jié)論。
也許已知的最古老的例子——光合作用光捕獲復(fù)合物的研究，強(qiáng)度依賴效應(yīng)是具有誤導(dǎo)性的。在20世紀(jì)70年代末和80年代初，幾個(gè)研究小組正在使用當(dāng)時(shí)的激光器研究紫色細(xì)菌色素體的激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)。令人困惑的是，它們都報(bào)告了不同的激發(fā)態(tài)壽命。實(shí)際結(jié)果是他們看到的是激發(fā)的非線性湮滅。（11）
這是兩個(gè)激發(fā)態(tài)在一個(gè)葉綠素色素上相遇的過程(見圖6a)，產(chǎn)生更高的激發(fā)態(tài)。由于這種狀態(tài)幾乎是瞬間衰減的(約100fs)，這種碰撞的最終結(jié)果是激勵(lì)數(shù)減少了一個(gè)。在一個(gè)大型的光收集天線中，激發(fā)越多，它們相遇的幾率就越高，因此，初始信號(hào)的衰減就越快(見圖6b)(12)。盡管這種效應(yīng)令人著迷，但它只會(huì)在自然產(chǎn)生的非常高的激發(fā)光強(qiáng)度下表現(xiàn)出來。因此，為了對(duì)自然發(fā)生的光收集做出有意義的結(jié)論，需要在極微弱激發(fā)脈沖能量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。更高的重復(fù)頻率和相應(yīng)較弱的脈沖使這成為可能。
圖6. 分子化合物中激發(fā)態(tài)的湮滅(a)。當(dāng)兩個(gè)激發(fā)態(tài)在一個(gè)分子上相遇時(shí)，它被提升到更高的激發(fā)態(tài)。因?yàn)樗嵌虝旱模芸炀椭皇Ｏ乱粋€(gè)激發(fā)。細(xì)菌捕光復(fù)合物(Fenna-Matthews-Olson蛋白)在不同激發(fā)脈沖能量下的瞬態(tài)吸收信號(hào)衰減(b)。
有時(shí)，限制激發(fā)能量的不是激光、樣品或目標(biāo)，而是探測(cè)方案。在許多探測(cè)方案中，單個(gè)粒子(光子、電子、離子)被探測(cè)到。例如，和泛使用的x射線光譜儀利用單個(gè)x射線光子檢測(cè)半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生的電荷。如果來自同一個(gè)激光脈沖的兩個(gè)光子同時(shí)擊中探測(cè)器，光譜儀將會(huì)錯(cuò)誤地確定高出兩倍的光子能量(見圖7)。同樣，如果光與物質(zhì)相互作用的產(chǎn)物是光電子(如在x射線光電子能譜中)，則希望每個(gè)激光脈沖只有一個(gè)電子。如果多個(gè)電子進(jìn)入分析器，它們的庫侖斥力會(huì)扭曲測(cè)量的能量值。
圖7. 400 μJ脈沖聚焦到銅靶產(chǎn)生的x射線譜。當(dāng)計(jì)數(shù)率接近激光重復(fù)頻率，重合偽影會(huì)在檢測(cè)到的光子的兩倍和三倍能量處產(chǎn)生不存在的峰值。
在這種單粒子探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，激光重復(fù)頻率越高，信號(hào)計(jì)數(shù)積累得越快。一個(gè)典型的光譜或衰減曲線需要大約10000次計(jì)數(shù)來對(duì)抗離散的噪聲。當(dāng)以1kHz重復(fù)頻率計(jì)數(shù)時(shí)，需要10秒來測(cè)量，而在100kHz時(shí)，每秒測(cè)量10條曲線。10秒聽起來并不多，但當(dāng)你將平均持續(xù)時(shí)間改為10小時(shí)時(shí)，用6分鐘獲得相同結(jié)果的選擇會(huì)突然變得非常有吸引力。
總結(jié)
綜上所述，現(xiàn)代高重頻幾kHz重復(fù)頻率的固態(tài)飛秒激光器提供了一種的脈沖能量組合，高到足以產(chǎn)生幾乎所有的非線性光學(xué)現(xiàn)象，同時(shí)，它們比運(yùn)行在1kHz或以下的傳統(tǒng)CPA系統(tǒng)的速度快10~100倍。這使得二階輻射可獲得的亮度，并有助于繞過樣品或檢測(cè)系統(tǒng)施加的固有注入通量的限制。再加上這些激光器比高能激光器更穩(wěn)定，這使得它們成為光譜學(xué)、顯微鏡學(xué)、非線性光學(xué)和激光物理學(xué)等現(xiàn)代研究領(lǐng)域的工具。
(本文原創(chuàng)來源于，應(yīng)用工程師dr. Jonas Berzinš，研發(fā)工程師dr. Lukas Kontenis和dr. Mikas Vengris，原文發(fā)表于《Laser Focus World》):
參考文獻(xiàn)：
（1） 詳見https://lightcon.com/product/pharos-femtosecond-lasers/
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高重頻飛秒激光器產(chǎn)品介紹
PHAROS工業(yè)&科研級(jí)模塊化設(shè)計(jì)飛秒激光器
特點(diǎn)：
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100 fs - 20 ps脈寬可調(diào)
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脈沖能量3 mJ輸出
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輸出功率20 W
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重復(fù)頻率單脈沖-1 MHz軟件可調(diào)
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脈沖選擇器按需輸出模式
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BiBurst模式
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自動(dòng)諧波發(fā)生器(5次諧波)
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CEP穩(wěn)定選項(xiàng)
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對(duì)外部源的重復(fù)率鎖定
PHAROS系列飛秒激光器，結(jié)合了多毫焦脈沖能量和高平均功率輸出。PHAROS為科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化了機(jī)械和光學(xué)設(shè)計(jì)。緊湊，熱穩(wěn)定，密封的設(shè)計(jì)使PHAROS能方便的集成到各種光學(xué)裝置和加工工作站。二極管泵浦Yb介質(zhì)大大降低了維護(hù)成本，并為激光提供相當(dāng)長(zhǎng)的壽命，而穩(wěn)健的光機(jī)械設(shè)計(jì)，使PHAROS能穩(wěn)定的運(yùn)行在不同的環(huán)境。PHAROS的靈活的可調(diào)諧性允許系統(tǒng)覆蓋需要多種不同參數(shù)激光的應(yīng)用?？烧{(diào)參數(shù)包括脈沖持續(xù)時(shí)間(100 fs-20 ps)，重復(fù)頻率(單脈沖-1 MHz)，脈沖能量(高達(dá)3 mJ)，和平均功率(高達(dá)20 W)。使用內(nèi)置的脈沖選擇器，可按需調(diào)節(jié)脈沖的模式。PHAROS的通用性可以通過多種額外的選項(xiàng)進(jìn)行擴(kuò)展，包括載波包絡(luò)相位(CEP)穩(wěn)定、重復(fù)頻率鎖定到外部源以及自動(dòng)諧波模塊等。
CARBIDE工業(yè)&科研級(jí)一體式設(shè)計(jì)飛秒激光器
特點(diǎn)：
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190 fs - 20 ps脈寬可調(diào)
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脈沖能量2 mJ輸出
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輸出功率80 W
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重復(fù)頻率單脈沖-2 MHz軟件可調(diào)
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脈沖選擇器按需輸出模式
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BiBurst模式
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提供風(fēng)冷版本
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自動(dòng)諧波發(fā)生器
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科研接口模塊
CARBIDE是一種集高平均功率和優(yōu)良的功率穩(wěn)定性于一體的飛秒激光器。CARBIDE在保證光束質(zhì)量和穩(wěn)定性的情況下，具有市場(chǎng)的輸出參數(shù)。緊湊而堅(jiān)固的光機(jī)械設(shè)計(jì)使得CARBIDE可以被應(yīng)用到顯示，汽車，LED，醫(yī)療和其他行業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域以及各種科學(xué)研究中。CARBIDE的可靠性已被工業(yè)環(huán)境中數(shù)百個(gè)24/7運(yùn)行的系統(tǒng)所證明。CARBIDE激光器靈活的可調(diào)諧性使我們的客戶能夠發(fā)現(xiàn)的制造工藝?？烧{(diào)參數(shù)包括脈沖持續(xù)時(shí)間(190 fs-20 ps)，重復(fù)頻率(單發(fā)-2 MHz)，脈沖能量(高達(dá)2 mJ)，和平均功率(高達(dá)80 W)。使用內(nèi)置的脈沖選擇器，可提供脈沖按需輸出模式。CARBIDE激光器可以配備工業(yè)級(jí)模塊，包括但不限于大功率諧波發(fā)生器。
FLINT系列飛秒激光振蕩器
特點(diǎn)：
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11、20、40或76 MHz重復(fù)頻率可選
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< 50 fs脈沖寬度
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高達(dá)0.6 μJ脈沖能量輸出
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可達(dá)20 W的輸出功率
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工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)
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CEP穩(wěn)定選項(xiàng)
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對(duì)外部源的重復(fù)率鎖定
FLINT是一系列基于Yb介質(zhì)的飛秒激光振蕩器，提供的輸出參數(shù)?；诮?jīng)過驗(yàn)證的工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，這是PHAROS和CARBIDE系列激光器的核心，F(xiàn)LINT振蕩器確保了長(zhǎng)期的性能和穩(wěn)定性。的FLINT-FL2振蕩器提供高達(dá)20 W的輸出功率，高達(dá)0.6 μJ的脈沖能量，在重復(fù)頻率為11、20、40或76 MHz的情況下運(yùn)行，脈沖持續(xù)時(shí)間可達(dá)50 fs。此外，二次諧波可集成到激光器內(nèi)部，而三次和四次諧波可通過外部諧波發(fā)生器獲得。FL1振蕩器支持載波包絡(luò)相位(CEP)穩(wěn)定或重復(fù)頻率鎖定(RRL)到外部源，重復(fù)頻率選擇從60到100 MHz可選。這另種FLINT模型均有標(biāo)準(zhǔn)和短脈沖配置可選，以滿足大多數(shù)工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用的需要。
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