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飛秒光纖激光器為材料加工提供新途徑
來源：武漢華拓軒光電科技有限公司 時間：2017-03-23 點擊量：
光纖激光器使用稀土摻雜光纖作為激活介質，用激光二極管作泵浦源，本身固有一些關鍵優勢，使它們在通過鎖模產生超短脈沖方面頗具吸引力。摻雜光纖的高增益帶寬和效率，允許制造相對便宜、緊湊、堅固的光纖激光器系統，這些系統提供適合廣泛應用的光纖耦合輸出光束。
飛秒結構
光纖提供較高的表面積 - 體積比，從而可實現有效的冷卻，并且可以根據特定性能參數進行定制。光纖激光器最初僅限于連續波（CW）、低功率、單模運行 ；經過了三十多年的發展，現在光纖激光器已經能夠實現單模和多模運行，波長范圍覆蓋紫外（UV）到遠紅外（far-IR）波段，并且能提供非常高的功率水平、可變的重復頻率，以及（也許的最顯著的）毫秒到飛秒級的脈寬。
不同于傳統的自由空間激光器，光纖激光器采用光纖和光纖布拉格光柵（FBG），后者取代了常規的介質反射鏡，用于光學反饋。大多數高功率光纖激光器采用雙包層光纖架構，其中增益介質在光纖的纖芯，由兩層包層包圍。來自激光二極管或另一個光纖激光器的多模泵浦光束，在內包層中傳播并受到外包層的約束，激發激活介質，并產生在光纖纖芯中傳播的激射模式。
為了產生超快激光脈沖，需要采用主動或被動鎖模技術。今天用于被動鎖模的一些技術，包括非線性偏振旋轉和飽和吸收技術，而電光或聲光調制器用于主動鎖模。
在半導體可飽和吸收鏡（SESAM）中，半導體量子阱生長在半導體分布式布拉格反射器上，SESAM 已成功地用于制造工作在1.0μm 和 1.5μm 波長處的飛秒光纖激光器。通過采用石墨烯可飽和吸收體的摻鉺（Er）光纖激光器，已經展示了自啟動鎖模和穩定的孤子脈沖產生。這些只是商業激光器制造商正在采用的幾種飛秒光纖激光器架構，以滿足各種科學和工業應用。
光纖激光器啁啾脈沖放大器（FLCPA），是美國 CalmarLaser 公 司 Cazadero 高 能 量（ 高 達30μJ）超快激光器的基礎，該激光器在 1μm 或 1.5μm 波長處產生超快脈沖（<0.5ps），重復頻率數百千赫茲。這些超快激光器產品可以輸出綠光（515nm）和紫外光（343nm），并能與該公司的 Bodega OPA 耦合，進而能在整個近紅外（near-IR）區域提供較寬的波長范圍。
Cazadero FLCPA 超快激光器始于 27MHz 的被動 SESAM 鎖模種子光纖激光器，采樣低至 120kHz 或更高。超快脈沖是通過頻率時間展寬（啁啾），使得通過高功率光纖放大器級、以較低的峰值強度進行放大。高達 30μJ 的短脈沖能量傳輸到自由空間中。這種 FLCPA 是固態飛秒激光放大器的一種具有成本效益的替代方案，用于精密生物醫學材料加工和納米結構化。
由于能夠產生超過 4000℃的高熔融溫度，可用于材料熔化、微結構操作或多材料合成，高功率飛秒光纖放大器已經被越來越多地用于材料加工和制造領域。
被動鎖模
SESAM 被動鎖模技術也是Calmar 公司的 Carmel-CFL 超快光纖激光器種子平臺的基礎。Carmel X 系列是高功率、風冷、780nm（以及可選的 1550nm）、基于光纖的飛秒激光器，輸出功率從 0.2W 到超過 1.0W（在1550nm 高達 2.5W ；見圖 3）。Carmel 激光器能提供 <90fs的脈寬，并且體積小巧，比許多Ti:sapphire 激光器更加緊湊，但是輸出功率水平卻之接近，能夠滿足一系列超快激光應用的需求，包括生物成像、多光子顯微、光學計量、3D 微打印、太赫茲成像和眼科學。
Carmel X 系列包括遠程數據采集、功率監控、系統診斷和二次諧波晶體的自動調節，實現長時間的使用壽命及 OEM 服務支持。對于多光子顯微應用，Carmel 超快激光器可用于細胞組織成像，提供最小的散射，并降低光損傷的風險。緊湊的激光頭及配套的鎧裝光纜，使其只需要最少的光學元件就可以集成到現有的光學顯微鏡中。
中紅外選擇以及更多
美國 IPG Photonics 公司的紅外脈沖光纖激光器，提供 1.03~1.06μm、1.55~1.65μm、2.09μm 以及 2.1~2.6μm的波長。非線性外部轉換產生綠光輸出，皮秒和飛秒脈沖選擇提供 1.5μm處達 10W、1.06μm 處達 100W，或者0.52μm 處達 5W 的二次諧波源。
這些飛秒選擇的范圍從 400fs 到600fs，重復頻率高達 3MHz，IPG 的CLPF 超快振蕩器提供 40fs 脈沖，在2.1~2.6μm 范圍內提供客戶選擇的固定波長，重復頻率 80~800MHz，輸出功率 2W。IPG 的超快放大器提供了在 2~3μm 光譜范圍內，實現數瓦輸出功率的能力。克爾透鏡鎖模振蕩器和超快放大器頭，由 IPG 的連續光纖激光器泵浦，滿足了一系列科學和生物醫學應用的需求。
所有的飛秒光纖激光器制造商繼續提升超快架構的性能，包括更寬的波長范圍、更短的脈沖以及更多的功率輸出選項，以應對下一代材料研究和加工的挑戰。
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