GHz重復頻率飛秒激光器發展趨勢

張志剛

（北京大學 電子學院，北京 100871）

0 引言

GHz重復頻率激光器在應用上取得新進展，引起廣泛關注，例如光學頻率梳［1］、高采樣率光譜學［2-3］、高速測距［4-5］和成像［6］等。就連飛秒微細加工，也因為GHz重復頻率而發生了“革命”［7-8］。

常規的固體飛秒激光器和光纖飛秒激光器的重復頻率大都是幾十MHz到幾百MHz，很少有GHz的。因為在只需要飛秒激光器就可以滿足應用的場合，較低的重復頻率可以使單脈沖能量更高。在需要放大的場合，脈沖的間隔如果太小，對選單脈沖用的開關速度要求就會很高，增加了成本。其次，在激光器的制作上，幾十MHz的激光器制作起來更容易，特別是光纖激光器，無論是哪種鎖模機制，長一點的光纖會使光纖器件容易制作。隨著應用需求的增加，GHz激光器逐漸受到重視。

本文從GHz重復頻率的激光器應用需求出發，闡明GHz激光器的重要性，對GHz激光器研制的難點和主要技術進行介紹，并展望了GHz激光器的發展趨勢。

1 GHz重復頻率——雙光梳光譜學的“金標”

光學頻率梳本來不需要非得1 GHz的重復頻率，幾百MHz也不是不行。但是GHz光頻梳的優勢是，頻率間隔大，單根梳齒的功率高；拍頻的時候容易判斷被測光頻離哪根梳齒近，因此用分辨力不高的波長計就可以解決。

大于1 GHz是不是也可以？也是可以的，但是為了鎖定頻率梳而擴譜需要的平均功率會成倍增加，導致擴譜用光纖的壓力。所以1 GHz是比較恰當的選擇。

在吸收光譜學中，雙光梳光譜學是一種可以不用光譜儀的吸收光譜學新方法。這種方法將在光譜吸收信號，變成射頻信號。在不需要高采樣率的情況下，脈沖重復頻率在100 MHz就能勝任。但是在需要測量快速過程（例如燃燒過程的情況下），就需要更高的采樣速率，這樣就要求更高的脈沖重復頻率。

但是采樣速率的高低和吸收光譜的線寬有關。吸收光譜的線寬一般在3～5 GHz，梳齒間隔太小，采樣速率上不去；梳齒間隔太大，會使采樣點不足或錯過了吸收譜線。所以，光譜的光頻寬度Δν與射頻的關系定義為［2］

式中：m為從射頻到光頻的放大倍數；frep為脈沖的重復頻率；Δfrep為雙光梳之間的重復頻率差，重復頻率差代表采樣速率，其倒數是采樣間隔時間。

如圖1所示，激光頻率的梳齒間隔從200 MHz到30 GHz演變時，當光通過氣體長度為5 mm，氣壓為1 bar，甲烷含量為0.5% mol時，模擬的不同光譜采樣間隔的甲烷（CH4）氣體吸收譜。從圖1可以看到，在200 MHz時，采樣出來的光譜非常光滑，但是采樣速率過低。當頻率間隔為1 GHz時，采樣點足夠多而未發現畸變。超過2 GHz時，測得的吸收光譜發生了明顯的畸變，顯示頻率間隔過大，采樣點不足。

圖1 模擬的對不同光譜采樣間隔的甲烷(CH4)氣體吸收譜[3]Fig.1 Modeled spectra of methane (CH4) plotted with different spectral point spacing (offset for clarity) [3]

當激光器的光學頻率梳為1 GHz、雙光梳重復頻率差為90 kHz時，采樣點達到11 μm［3］，采樣速率和采樣點數都可滿足需求，故稱1 GHz為雙光梳光譜學的“金標”。因此，選用重復頻率幾十GHz的微腔光梳對雙光梳光譜學測量，對3～5 GHz線寬的吸收光譜是不合適的。

在天文光譜定標用的“天文光梳”中［9］，滿足天文光譜儀分辨力需求的梳齒間隔，即脈沖的重復頻率，往往需要幾十GHz，并且光譜范圍要覆蓋到可見光。常規的激光器很難達到幾十GHz，而且成熟的飛秒激光器工作波長也不在可見光。

事實上，如果有辦法直接產生數十GHz重復頻率的脈沖，也不一定是好事，如果激光器輸出的光譜不能直接產生覆蓋整個光譜儀感光區間，就需要擴譜和波長變換。而擴譜和波長變換需要較高脈沖能量（> 200 pJ）。在數十GHz復頻率下，平均功率可達數W。對于1 μm左右芯徑的擴譜用光子晶體光纖，這個功率會燒壞就會顯得過高，容易燒壞擴譜用光纖。相對而言，1 GHz左右的頻率間隔，可能是比較適合的擴譜用頻率。擴譜時平均功率不太高，擴譜后也比較容易通過法布里-珀羅腔把頻率倍增上去。

2 GHz重復頻率飛秒固體激光器技術

GHz重復頻率首先要求腔短，例如1 GHz重復頻率對應的光學長度是0.3 m。對于固體激光器來說，這不算短。而對于光纖激光器來說，就顯得過短。因為光纖自身長度和倍頻的耦合器件等都需要一定長度，而且鎖模器件也需要有一定長度，這可能會超出0.3 m。

其次是鎖模機制。固體激光器，無論是綠光泵浦的鈦寶石，還是半導體激光器直接泵浦的Yb晶體，鎖模機制不外乎是克爾透鏡鎖模［10］和半導體可飽和吸收鏡（Semiconductor Saturable Absorber Mir?rors，SESAM）鎖模［11］，另外還有應用較少的二階非線性鎖模［12］。

2.1 克爾透鏡鎖模：啟動鎖模需要第一推動力

克爾透鏡鎖模因其脈沖短、效率高，在80～100 MHz重復頻率的鈦寶石激光器中廣泛應用。

由于克爾透鏡自聚焦效果對于長腔并不明顯，為了獲得克爾透鏡鎖模，首先要把腔調至穩區的邊緣；其次需要一個外界推動力來啟動鎖模，外界推動力可以是腔內的擾動（例如相干公司的MIRA）以推動反射鏡（例如Femto Lasers）；此外，還需要有光闌輔助，光闌包括硬光闌和軟光闌。硬光闌是在輸出鏡前，加一個可調諧光闌，腔內增加擾動的同時，逐漸縮小光闌，鎖模就會在某一瞬間啟動。軟光闌是沒有實際的光闌，而是光斑大小與泵浦光的匹配程度或與晶體的匹配程度，導致連續光與脈沖光獲得增益的不同，克爾透鏡鎖模軟光闌效果圖如圖2所示。

圖2 克爾透鏡鎖模軟光闌效果圖Fig.2 Schematic of "soft-aperture" effect in Kerr lens mode locking

啟動鎖模需要把激光器調到穩區的邊緣，此時鎖模變得比較敏感，容易在外界擾動下失鎖。長期不穩定性還源于泵浦光和腔模的空間耦合結構。加強光具座和平臺的機械強度，會使激光器變得越來越笨重。所以有人很早就提出了可飽和吸收體鎖模的概念，代表性的器件是SESAM［11］。

2.2 SESAM鎖模

SESAM是把對激光波長有吸收的半導體薄膜生長在透明半導體材料的反射鏡上而做成的器件。利用半導體薄膜的可飽和吸收效應，給腔內噪聲中的高峰值脈沖較大的反射率，給連續光和弱脈沖以較小的反射率，幫助大脈沖占據整個腔。這種鎖模方式不依賴于腔是否工作在穩區邊緣，可長期鎖模。

但是也正是這個原因，單從脈沖列上，永遠無法分清腔內運轉的到底是皮秒還是飛秒脈沖，盡管啁啾鏡或棱鏡對色散補償就在腔內。因為非線性效應依賴于腔的準直程度，僅靠可飽和吸收和色散補償，無法達到足夠的光譜寬度，仍然需要腔的調節，使自相位調制發揮作用，因此鈦寶石激光器很快就不用SESAM鎖模了。

2.3 克爾透鏡鎖模：高重復頻率下的自啟動

當把固體激光器的重復頻率增加到GHz時（圖3），克爾透鏡鎖模不需要外力推動，而是自啟動［13-14］。在腔非常短特別是腔內的反射鏡的曲率半徑非常小時，等效的共焦腔的腰斑半徑也變得非常??；當腰斑變小時，增益對克爾效應產生的光斑大小的變化就變得敏感，以至于不用外界擾動，也能讓脈沖占據腔，即鎖模啟動。

圖3 GHz重復頻率克爾透鏡鎖模的固體激光器腔型Fig.3 Schematic of GHz repetition rate Kerr lens mode locked solid state laser

不光是鈦寶石激光器，摻鐿的固體激光器也加入到GHz重復頻率的激光器行列。

為了達到克爾透鏡鎖模中“軟光闌”的效果，選用單模光纖耦合的半導體激光器泵浦。隨著單模光纖耦合的泵浦功率越來越高，超過1 W，克爾透鏡鎖模的GHz重復頻率的固體激光器變得容易。但是1 W半導體激光器泵浦的鎖模激光器功率相對較低，選用高功率的光纖激光器泵浦［15］固體激光器。因為是激光器，泵浦激光的模式好，克爾透鏡鎖模也相對容易。從成本角度看，用光纖激光器泵浦比用半導體激光器泵浦代價要高。

為了提高輸出功率、降低成本，選用大模場面積輸出的半導體激光器泵浦。此時，因入射到晶體中的光斑較大，軟光闌很難起作用，所以選擇使用硬光闌［16］，或SESAM［17］。

圖4為高功率多模半導體激光器泵浦的克爾透鏡鎖模的1 GHz固體激光器，其增益介質為Yb：CALGO晶體，在20 W泵浦功率下，輸出功率可達6 W。為了鎖模能自啟動，腔內放了硬光闌（HA）［16］。

圖4 1 GHz重復頻率固體激光器硬光闌克爾透鏡鎖模[16]Fig.4 Schematic of 1 GHz repetition rate Kerr lens mode locked solid state laser with a hard aperture[16]

圖5為高功率泵浦下SESAM鎖模的高重復頻率Yb：KGW激光器結構圖［17］，重復頻率為1 GHz，輸出功率為1.1 W，通過改變腔長，激光器的重復頻率可以提高到4 GHz。

圖5 高重復頻率Yb:KGW激光器結構圖[17]Fig.5 Structure diagram of Yb: KGW laser with high repetition rate[17]

3 GHz光纖激光器

光纖激光器的鎖模機制包括：SESAM鎖模［18-19］、非線性偏振旋轉（NPE）鎖模［20］、非線性環路反射鏡（NALM）鎖模［21］等，都可以用于高重復頻率光纖激光器上。

3.1 SESAM鎖模

SESAM鎖模是最簡單的鎖模機制，也最易做短光纖腔，但是真正用它做飛秒鎖模的并不多，主要是因為其脈沖相對較寬，激光器輸出功率太低，僅有幾十mW［18-19］。

3.2 NPE鎖模

NPE鎖模是光纖激光器中最可靠的鎖模機制。利用光纖中自然雙折射和非線性偏振旋轉，結合偏振片和波片，可以達到脈沖選出的作用。但是因為光纖是非保偏的，容易受到溫度和振動的影響。當重復頻率增加到1 GHz時，光纖長度只有10 cm，而且彎曲會導致某種保偏效應。所以穩定性有一定保證［22］。

北京大學在器件上做了大幅改進，研制出NPE鎖模的1 GHz摻鐿光纖激光器（如圖6），輸出功率在600 mW以上，脈寬小于100 fs。

圖6 北京大學研制的1 GHz重復頻率飛秒光纖激光器[22]Fig.6 Schematic of 1 GHz repetition rate femtosecond fiber laser developed by Peking University[22]

3.3 NALM鎖模

NALM鎖模雖然可以保證自啟動，但是需要將泵浦光的功率先調到鎖模閾值的數倍，此時才會產生多脈沖，然后再把泵浦功率降下來，才能維持腔內單脈沖運轉。但在泵浦功率降下來的過程中，有約1%的幾率一直無法產生單脈沖，這時單脈沖鎖模就失敗了。

因為NALM中有一段線性腔部分使光路長度增加一倍，而另一部分光纖不能過度彎曲，所以很難有高重復頻率的NALM鎖模激光器出現。目前重復頻率最高的NALM光纖激光器是北京大學研制的700 MHz重頻的摻鐿光纖激光器［23］。

在高重復頻率下，不需要先將泵浦功率提高再降下來，只要鎖模就是單脈沖了［24］。

4 GHz激光器：向“全固態”發展

光纖激光器，尤其是NPE鎖模激光器，因為不能用保偏光纖，故對環境的敏感度高。GHz光纖激光器如何呢？為了解決長期穩定性問題，北京大學對NPE鎖模的光纖激光器做了重要改進。首先，用全玻璃鏡架代替原來的金屬鏡架，用玻璃底板代替原來的金屬底板，用半球型底座和雙楔角片提供在線調節機制，并將光纖用硅膠全部封閉，固態化GHz量級飛秒光纖激光器如圖7所示。通過這樣的措施，將激光器的噪聲大幅降低，抖動低至130 as［25］，使長期穩定性也得到大大提高。

圖7 北京大學研制的固態化GHz量級飛秒光纖激光器[25]Fig.7 GHz repetition rate solid-state femtosecond fiber laser developed by Peking University[25]

不僅光纖激光器正在向固體激光器發展，而且固體激光器也在向“全固態”發展。星載情況下，光纖在宇宙射線的照射下損耗會大幅增加，出于安全性要求，固體激光器成為首選。但是如何提高固體激光器對環境的耐受力，是需要解決的關鍵問題。

Heriot Watt大學提出，將所有元件包括晶體和反射鏡都直接貼在鋁板上，使長期穩定度得到保障［26］。固化在鋁板上的2.18 GHz固體飛秒激光器如圖8所示。這種將固體激光器“全固態化”的方式會成為提高固體激光器穩定性的趨勢［27］。

圖8 固化在鋁板上的2.18 GHz固體飛秒激光器[27]Fig.8 2.18 GHz repetition rate femtosecond solid-state laser with all components bonded on an aluminum board[27]

5 總結

GHz重復飛秒激光器越來越多地被用于高速精密測量、高速吸收光譜學、光頻梳等。GHz重復頻率的固體和光纖激光器也獲得充分的發展。

目前，半導體激光器直接泵浦的1 GHz飛秒光纖激光器輸出的脈沖平均功率最高，可達1 W，效率也最高；GHz重復頻率的固體激光器中，半導體激光器直接泵浦的輸出功率有可能比較低，只有數十mW。多模半導體激光泵浦或高功率激光器泵浦的固體激光器，輸出功率可達數W。為了適用各種場合的應用，無論是固體激光器，還是光纖激光器，都有向全固態化發展的趨勢，即甩掉金屬調節架，直接將光學元件固定在低膨脹率材料制成的底板上，以抵御溫度變化對激光器的影響。

隨著材料科學和光子學技術的發展，光子集成的GHz重復頻率激光器，有可能會異軍突起，引領新一代超高重復頻率飛秒激光器。