飞秒光纤激光器及其应用简介

一 飞秒光纤激光器的基本原理
利用搀杂稀土元素的光纤制成的光纤放大器给光波技术领域带来了革命性的变化。 由于任何光放大器都可
以通过恰当的反馈机制形成激光器，因此光纤激光器可以在光纤放大器的基础上开发。目前开发的光纤激光
器主要采用搀稀土元素的光纤作为增益介质，由于光纤激光器中光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下光纤内极
易形成高功率密度，造成激光工作物质激光能级的“粒子数反转”。因此适当加入正反馈回路便可形成激光振
荡。 根据光纤激光器采用的谐振腔的结构可以把光纤激光器分为 F-P 腔光纤激光器和环行腔光纤激光器两类。 
光纤激光器产生超短光脉冲采用的技术通常有两种：调Ｑ技术和锁模技术。调Ｑ技术虽然可以使光纤激光
器在整个增益谱的宽范围内产生波长可调的高峰值功率（大于１ｋＷ）脉冲，但这种脉冲的宽度相对较宽。
而锁模技术加上脉冲压缩技术则可以产生比１００ｆｓ更短的光脉冲。 这种飞秒激光器的特点是全光纤结构，
小巧、高效，高光束质量，与传输光纤兼容，因此更有重要的实用价值，在科研和工业领域得到了广泛的应
用。
 
二 飞秒光纤激光器的基本特点
目前，光纤飞秒激光器的技术逐渐成熟，使其生产的飞秒光纤激光器性能优越，可靠性高。他们以下的主
要优点
1：光脉冲宽度可达：0.1-20ps
2：光波长在 C波段范围内可调
3：接近衍射极限的高质量光束 
   4：在 100fs 脉宽条件下峰值功率可达 10KW 以上
   5：时间抖动小
   6：重复频率可达10 ~ 100 MHz或更高
 
目前市场上的飞秒光纤激光器主要采用被动锁模设计，原理图如下：

其光脉冲波形如下：

三 飞秒光纤激光器的应用
 
从六十年代开始，人们通过各种激光锁模技术，如被动锁模、主动锁模、同步锁模等手段，把激光脉冲的
脉宽压缩到皮秒(ps，10-12 秒)，并且开始将其应用于物理、化学等学科领域。到了八十年代，激光碰撞锁模
技术的开拓，又把激光脉冲的宽度压缩到了飞秒(fs，10-15 秒)，就是说,在这个脉冲时间里，光子在空间只运
行了亚微米的距离。由此，人类被带进了一个崭新的时空世界。这样，一系列新现象、新效应、新规律、新
机制以及新理论、新方法、新应用等等便随之如雨后春笋般迅速涌现出来。光孤子的形成与传输、啁啾光脉
冲的压缩、展宽与放大等等，一个个重要课题不断地吸引人们去研究和应用。飞秒光纤激光器由于具有小巧、
高效，高光束质量的优越特性，他的出现更是促进了飞秒超快光子学的发展。其用途可以分为以下两大类：
 
1 超快过程与超快技术
 飞秒激光的发展与超快过程的探测息息相关，它为我们提供了一种时间分辨率高达 10-15
秒的光探针，使得
我们有可能了解原子、分子的结构及其超快运动过程。通常的规律是：能探测运动过程的速度越高，对微观
世界在空间的认识上则越细微。因此可以说，获得的激光脉冲宽度越窄，能促使我们研究物质微观世界的层
次也就越深。这样，用超快技术研究超快过程成了超快光子学的主要任务之一。
    目前，对超快过程的研究表现最为活跃的方面有：
 (1) 飞秒半导体物理
利用飞秒激光脉冲的泵浦—探测技术，测量半导体材料中的载流子寿命、弛豫时间等物理参数以及各种动力
学过程，一直是超快光子学的主要应用课题之一。
(2) 飞秒化学中分子动力学过程
化学领域超快过程的研究受益于超快激光技术不断取得新成果。近年来发展起来的超连续飞秒激光与平台光
谱超连续飞秒激光，被认为是进行飞秒化学研究的最为有力的工具。
(3) 生物光合作用的超快过程
生物以光合作用的形式，通过光循环，反复将光能转化为生物功能所需的生物化学能。在这种循环中，一些
环节是超快过程。超快激光技术为研究生物光合作用提供了有力工具。
(4) 飞秒光电子技术
由飞秒激光引发的超短光脉冲和光电导可以产生飞秒量级的电脉冲，它比用常规电子技术产生的电脉冲在宽
度上要短数个量级。这种光电子脉冲很快被用于超快逻辑电路、超快光电子计算、超高速超高频电子器件等，
并由此形成了一门新的学科—超快光电子学。
(5) 飞秒光谱全息技术
不同于常规的全息术,这种飞秒光谱全息是在时域中实现光脉冲信号的记录、处理和再现。利用这种新颖的飞
秒光谱全息术已首次实现了飞秒脉冲信号的时间反演、相关、卷积与合成处理等。这一成果将对光学信息处
理及全息技术产生重大影响。
(6) 光层析(OCT)及光子成象技术
对埋藏在高度散射介质中的物体的光学成象研究是一个颇具意义并富有挑战性的课题,原因在于它潜在的生
物学及医学方面的重要应用前景。 近来,以超短光脉冲技术为核心的时间分辨方法,被证明是一种实现高散射介
质中物体成象的有效途径。它通过提取带有信息的弹道光子和蛇形光子，进行相干选通，实现成象脉冲的测
定。时间分辨率取决于入射脉冲的宽度，采用飞秒光脉冲时，其时间分辨率将达到 10-15 秒量级。
   随着飞秒光纤激光器的技术进步和应用的不断深入，光纤激光器的性能将不断提高，成本将不断下降，进
而必将更进一步推动光纤激光器的发展和应用。

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