tif-100鈦藍寶石飛秒激光器工作原理簡介 摻鈦藍寶石（ti:sapphire）是一種固態(tài)激光介質，能夠在較寬的近紅外（nir）波長范圍內(nèi)進行可調諧激光操作。由于在光譜的藍色和綠色區(qū)域具有寬的吸收帶，激光過程中的能量可由標準連續(xù)波氬離子激光器或532nm高功率二極管泵浦連續(xù)固體激光器提供。通過選擇合適的光學器件，鎖模鈦寶石激光器可以覆蓋690nm-1080nm的波長范圍，脈沖寬度小于10fs。
在cw連續(xù)激光泵浦源作用下，采用克爾透鏡鎖模（klm）機制，使一定排列方式的固態(tài)鈦寶石激光器產(chǎn)生連續(xù)的飛秒脈沖序列。klm機制將自聚焦效應和光闌效應結合在一起，使得激光產(chǎn)生的光脈沖的持續(xù)時間盡可能短。自聚焦效應導致腔模的空間強度分布發(fā)生微小變化，這取決于激光器（鈦寶石晶體本身）活性介質中光脈沖的瞬時功率。然后，通過仔細匹配腔模的空間重疊和有源介質中泵浦光的焦點區(qū)域（“軟孔徑klm”），并另外引入靠近腔體的一個端鏡的腔內(nèi)孔徑（‘硬孔徑klm’），可以產(chǎn)生功率相關的腔損耗。
由于非共振克爾非線性的準瞬時響應，而鈦寶石的增益弛豫時間較低，循環(huán)激光脈沖每次通過活性介質時都會產(chǎn)生快速調制。這導致了有效的被動鎖模操作，結合200nm寬的鈦藍寶石材料增益譜，支持形成持續(xù)時間小于10 fs的脈沖。脈沖寬度的精確值取決于腔內(nèi)自相位調制和腔內(nèi)負群延遲色散之間的臨界相互作用。
tif-100簡介： avesta公司提供基于摻鈦藍寶石的飛秒振蕩器tif系列，可選不同泵浦功率，最高輸出3w/800nm，保證提供給用戶的激光器經(jīng)過全面測試，適用于穩(wěn)定的連續(xù)克爾透鏡鎖模操作。
tif-100激光器是tif家族中常用的系列之一，典型脈寬>100fs。tif-100激光頭集成了鈦藍寶石晶體棒和相應光學元件，構成振蕩器腔?；炯す庋b置包括抽運光束鏡、折疊腔鏡、抽運光束聚焦透鏡、一對與激光棒對準的凹球面鏡、一個輸出耦合器（oc）、一組用于色散補償?shù)睦忡R、一個作為光譜調諧元件的狹縫，輔助布線鏡系統(tǒng)和可選的內(nèi)置光譜儀。光學頭單圖如圖所示：
tif-100激光頭連接端口包括：冷卻水輸入/輸出端口、直流電源輸入口、數(shù)據(jù)采集usb端口、脈沖序列監(jiān)測sma射頻輸出端口，以及兩個用于用惰性氣體/干燥空氣吹掃連接端口。所有這些連接器端口都可以在激光光學頭的背面找到。
tif-100內(nèi)置光譜儀，可用于獲取激光器輸出的實時光譜信息，直接顯示于配套軟件界面。激光器可通過usb端口連接pc，在tif專用軟件上進行遠程監(jiān)測與操控。激光頭內(nèi)置的電子模塊包括光譜數(shù)據(jù)解釋硬件、步進電機控制器、電子鎖模啟動器方案（啟動器）和配備usb接口的微處理器單元等。
tif泵浦激光器：
由于鈦寶石激光介質在可見光的藍、綠部分具有很寬的吸收帶，因此可以用多種光源進行光泵浦，包括連續(xù)氬離子激光器、高功率脈沖和連續(xù)綠光dpss激光器以及激光二極管。保證鈦寶石泵浦激光器的輸出光束質量非常重要：其橫模必須盡可能接近tem00。 抽運鈦寶石激光器最合適的選擇是采用二極管抽運倍頻固體nd3+激光器，工作在tem00橫模區(qū)，輸出功率在3-10w之間。這類激光器結構緊湊，可以集成到鈦藍寶石系統(tǒng)中，能夠在近衍射極限、高穩(wěn)定的光束中提供大于3w的輸出功率。 連續(xù)波泵浦條件下，激光作用的一個重要條件是鈦寶石發(fā)光超過腔往返損耗和非飽和活性介質增益。該增益是通過對一個精心選擇尺寸和形狀的活性介質（激光晶體）中的激光躍遷態(tài)的布局進行反轉來獲得的。 高反轉密度是由于藍寶石晶格中的ti3+離子吸收泵浦輻射的結果。鈦藍寶石發(fā)光面臨的總損失（增益降低）來自反射損失（鏡面涂層和拋光表面）和鈦藍寶石晶體本身的殘余吸收。后者與晶體長度成正比，隨ti3+濃度變化，一般隨濃度增加而增加。 與染料激光器的情況不同，鈦寶石激光器的泵浦光束必須與腔模在激光晶體內(nèi)相對較長的距離上共線，以使klm機制足夠強大，以支持飛秒操作。然而，使用相對低功率的dpss泵浦激光器不可能在晶體的整個孔徑上實現(xiàn)足夠高的粒子數(shù)反轉密度。為了避免這個問題，需要聚焦泵浦輻射，使其與鈦寶石激光器的腔模在空間上重疊（這種技術稱為縱向泵浦）。剩余的泵浦光隨后通過第二腔聚焦鏡傾倒。默認情況下，tif-100光學頭內(nèi)安裝了一個翻轉鏡，使入射的泵浦激光束能夠在tif激光頭外進行布線?？砂惭b一個可選的分束器來代替翻轉鏡，以便輸出一小部分（3%）的泵浦光，該分束器可用于激光頭外部的連續(xù)泵浦光功率和位置監(jiān)控。
激光器的光學頭單元具有內(nèi)置pin光電二極管，用于監(jiān)測激光器的脈沖序列，并為外部設備提供同步信號。專用sma接口位于光學頭主體的后側。光電二極管信號應僅饋送至具有50ohm負載輸入和至少300 mhz模擬帶寬的儀器（例如示波器），以正確解析激光輸出的脈沖結構。tif-100激光器的典型光電探測器輸出信號見附錄a。
諧振腔設計：
tif-100對諧振腔布局進行了建模和優(yōu)化，使其在最小空間內(nèi)達到最佳性能。最終的設計（見下圖）具有z形、像散補償腔，包括兩個球形和幾個平面折疊鏡，包括端鏡（em）、輸出耦合器（oc）鏡、鈦藍寶石晶體（ti:s）、泵浦輻射聚焦透鏡（l）和雙棱鏡脈沖壓縮器，包括棱鏡p1、p2和狹縫（sl）。 默認情況下，tif-100激光器在鎖模工作模式下波長可調。它可以配備一個專用的波長選擇元件，位于激光器的輔助連續(xù)波腔臂中，允許其在連續(xù)波模式下的波長調諧能力。在后一種情況下，輔助腔臂（見圖，p1和emc元件之間）使用雙折射lyot濾波器（圖中的brf）作為波長調諧元件。該濾光片由多個雙折射材料板組成，這些板彼此以特定方式定向，使得旋轉濾光片組件轉化為掃描腔模的中心波長。濾波器配有伺服電機，伺服電機可通過tif-100軟件進行控制，從而實現(xiàn)激光器在鎖模和連續(xù)波模式下的波長調諧。有關操作模式和cw模式波長調諧切換的更多信息，請參tif-100手冊。 激光器的鎖模結構是通過一對棱鏡和一個光學狹縫（位于激光器主腔中）進行波長調諧的（見圖）。這些元件在腔中提供了一個區(qū)域，在該區(qū)域鈦藍寶石發(fā)射的所有光譜成分在空間上擴散，并且引入了與波長相關的損耗。因此，鈦寶石激光輻射的中心波長可以通過棱鏡和狹縫在水平面上的聯(lián)合運動來調節(jié)。這種簡單而直接的方法允許在鈦寶石增益光譜的大部分范圍內(nèi)，在鎖模模式下對激光器進行連續(xù)波長調諧，這受到腔鏡光譜特性的限制。
tif-100內(nèi)部光路局部布局圖
fm1–用于引導泵浦激光輻射的翻轉鏡（可選）pm1，pm2—抽運光束路由鏡l—抽運聚焦透鏡m1，m2—球面二向色性鏡m#–平腔折疊鏡ti:s–ti:sapphire晶體棒oc–輸出耦合鏡p1，p2–棱鏡sl–狹縫em–飛秒腔端鏡emc–cw腔端鏡brf–雙折射lyot濾波器bs1、bs2–分束器窗片rm1、rm2–輔助布線鏡spm–光譜儀；pd–光電二極管 tif-100的波長調諧能力取決于所用泵浦激光器的額定功率、與泵浦激光功率匹配的oc鏡以及其他幾個因素。tif-100的典型中心波長調諧能力在720–950 nm范圍內(nèi)。 tif-100激光器可選配一組額外的反射鏡，以支持波長高達970 nm的激光振蕩和鎖模。附加的長波反射鏡組可以在工廠預先安裝，也可以由最終用戶現(xiàn)場安裝。 狹縫的開口寬度也可以調整，從而影響帶寬，從而影響激光脈沖的時間寬度。脈沖寬度的調諧特性取決于增益介質材料本身的特性，以及激光腔的凈群速度色散（gvd）等腔參數(shù)。雖然不可能方便地修改鈦藍寶石材料以改變其產(chǎn)生的脈沖寬度，但可以整體調整諧振器的凈gvd。
激光腔的光學元件引入正gvd，從而引起時域脈沖展寬。由于短脈沖與介質非線性折射率相互作用的結果，鈦寶石晶體中的自相位調制使脈沖進一步展寬。為了在激光輸出端獲得穩(wěn)定的脈沖序列，必須對這兩種效應進行補償。這可以通過引入負gvd來實現(xiàn)，而負gvd又可以通過使用一組棱鏡來實現(xiàn)。這使得激光器能夠在激光材料增益光譜的最佳部分產(chǎn)生<70fs、近變換限脈沖。