超短光脉冲目前被广泛应用于计量学、通信、光谱学、太赫兹科学、眼科学和材料加工等领域。本文旨在概述最重要的技术，并简要讨论其潜力。

超短光脉冲目前被广泛应用于计量学、通信、光谱学、太赫兹科学、眼科学和材料加工等领域。考虑到这种巨大的多样性，所需的脉冲参数（如脉冲能量和持续时间、重复率和波长）分布在多维参数空间的一个巨大区域上也就不足为奇了。

此外，应用可能需要其他特性，如紧凑性、多年可靠运行、能效、低冷却要求、高光束质量和低价格。由于这些原因，超短脉冲有各种非常不同的激光源。本文旨在概述最重要的技术，并简要讨论其潜力。

皮秒和飞秒激光器

超短脉冲在大多数情况下是由锁模激光器产生的。在这里，单个皮秒或飞秒脉冲，或者有时是规则间隔的脉冲串，在激光腔内循环（图1）。各种效应作用于循环脉冲，但通常此类激光器在稳定状态下运行，其中脉冲参数或多或少恒定，或至少在每次完成腔往返后再现。每次脉冲击中部分传输输出耦合器反射镜时，将发射一个脉冲作为有用输出，输出脉冲形成一个规则间隔的脉冲序列。

图1用SESAM被动锁模的二极管泵浦飞秒体激光器的腔设置。谐振器中的棱镜对用于色散补偿。

主动和被动技术可用于强制发射此类脉冲，而不是例如连续波光。主动锁模使用内腔调制器，它定期调制损耗或相移，与腔往返同步。虽然主动损耗调制的有限速度通常仅在数十皮秒的脉冲持续时间内才会降低，但在可饱和吸收体中，被动损耗调制可能会产生更短的脉冲。在极端情况下，脉冲持续时间仅为几飞秒。特别是对于非常短的脉冲，激光腔内的色散和非线性效应非常重要，并引入了一些关键的设计问题。

基于稀土掺杂激光晶体、玻璃或过渡金属掺杂晶体（例如Ti:sapphire）的锁模固态体激光器通常使用单个循环脉冲工作，腔往返时间在1 ns到100 ns（纳秒）之间，导致脉冲重复率达到数十或数百MHz。典型的平均输出功率约为1 W，这导致脉冲能量约为1至100 nJ。

更高的能量，例如几微焦耳

锁模高功率薄片激光器可以产生更高的平均功率。另一种策略是实现较低的脉冲重复率，但这往往会导致不切实际的长激光腔和腔内的强非线性效应。锁模光纤激光器还可以产生皮秒或飞秒脉冲，有时具有显著的波长可调谐性，在大多数情况下，重复频率低于100 MHz甚至10 MHz。通过添加复杂的谐波锁模功能，也可以实现多GHz重复频率。其他激光增益介质允许到达其他参数区域，例如，来自半导体激光器的极高脉冲重复率（低脉冲能量），或来自染料激光器的其他波长（例如可见光）。然而，除了电信以外，离子掺杂固态增益介质在科学和工业应用中占据主导地位。

图2 腔倾倒皮秒激光器的设置。

微焦耳脉冲的腔倾倒

即使使用强聚焦激光束进行微加工，通常也需要比大多数锁模激光器更高的脉冲能量，而较低的脉冲重复率（因此中等的平均功率）通常是可以接受的。这可能是一种使用腔倾倒锁模激光器的情况，该激光器包含一个电控光开关（例如Pockels池和薄膜偏振器）。在大多数情况下，空腔损耗尽可能低，以便在空腔中形成强烈的脉冲。当重复频率为往返频率的一部分（例如100 kHz或1 MHz）时，操作开关以将循环脉冲的大部分能量提取到输出。因此，可以获得多个微焦耳。然而，人们不应将腔转储器视为任何锁模激光器的简单附加组件；例如，该装置引入的额外非线性和色散，以及随时间变化的腔内脉冲能量，可能会完全改变脉冲成形过程，并且可能变得难以达到稳定性和很短的脉冲持续时间。

Bulk放大器和光纤放大器

更高脉冲能量的概念上更简单的方法是在全激光重复率下放大整个输出，以获得更高的平均功率（或者，可以使用放置在种子激光之后的脉冲选择器降低脉冲重复率）。基于固态块体晶体的器件的高放大系数通常需要安排多次穿过晶体。（特别是对于fem-tosecond放大器，单程增益相当有限。）在这方面，光纤放大器更简单，因为它可以在单程中产生高增益，并具有比大多数晶体更宽的增益带宽。然而，在这里，长光纤的色散，尤其是强非线性，可能会对脉冲产生严重的有害影响，例如强加宽甚至脉冲破裂。这种效应对于短脉冲尤其强烈，并且会严重限制可实现的脉冲能量。因此，此类光纤放大器通常以高重复率运行，例如数十或数百MHz，其强度比脉冲能量更接近平均功率。

C +L波段高功率光纤放大器

再生放大器

如果脉冲重复率低于10 kHz，则许多毫焦耳甚至几个焦耳的脉冲能量与几瓦或几十瓦的仍然中等平均功率兼容。这种低重复率可以很容易地实现，例如在锁模激光器后面使用电光脉冲选择器。为了放大这样的脉冲，通常使用再生放大器。这种装置包含一个基本上类似于体激光器的谐振器，但带有一个或两个光学开关（通常为电光型），用于注入种子脉冲，并在选定数量的腔往返后提取放大脉冲。通过数百或数千次往返，即使使用增益相对较低的块状激光晶体，也可以轻松实现极高的增益。

再生放大器。Pockels电池与四分之一波片和薄膜偏振器（TFP）相结合，起到光开关的作用。Faraday旋转器允许分离输入和输出脉冲。

与空腔倾倒系统相比，再生放大器可以达到更高的脉冲能量，因为脉冲形成和放大过程是相互解耦的。单独种子激光器的要求可以被视为实现优异性能的合理价格，同时避免了通常与“一体式”方法相关的各种严重技术挑战。

Chirped脉冲放大

峰值功率是一个限制因素，尤其是在光纤放大器中，但在再生放大器中也是如此。一种常用的解决方案是Chirped脉冲放大。这里，首先使用色散元件（例如光栅对）在脉冲进入实际放大器之前将脉冲拉伸到例如数纳秒的持续时间。在最后的放大器级之后，应用另一个色散基本相反的元件，从而有节奏地重新压缩脉冲。这意味着，与输出峰值功率相比，放大器内的峰值功率降低了几个数量级。

Chirped脉冲放大原理图

根据某些基础研究领域（如高强度物理）的要求，Chirped脉冲放大目前广泛用于飞秒脉冲中毫焦耳甚至焦耳级脉冲能量的体放大器系统。原则上，它也非常适合光纤设备。然而，在此类系统中使用体光栅压缩器部分消除了光纤系统的实际优势，因为脉冲部分在空气中传播，而将其重新发射到光纤中需要精确对准。然而，目前这种全光纤Chirped脉冲放大器系统的技术还没有完全开发出来。

参数振荡器、发生器和放大器

为了获得其他感兴趣的波长，可以使用各种参数化器件。利用锁模激光器同步泵浦的光参量振荡器可以提供波长可调的皮秒或飞秒脉冲。在某些情况下，甚至可以省略振荡器腔，以获得一个非常简单的参数发生器。特别令人感兴趣的是参量放大器，它在通过非线性晶体的单程中提供非常高的增益，并具有很宽的放大带宽。与Chirped脉冲放大相结合，这种放大器现在甚至用于产生太瓦特峰值功率。放大器内的强脉冲拉伸也允许使用强大的调Q激光器作为泵浦源。

结论

我们已经看到，存在各种不同的超短脉冲源，这不仅是因为激光增益介质的选择很好，还因为实现高脉冲能量的方法非常不同。根据经验，通常可以直接从锁模激光获得纳米焦耳脉冲，从腔倾倒激光器获得微焦耳，从再生放大器获得毫焦耳或焦耳。对于中等脉冲能量和高平均功率的组合，基于光纤的放大器系统可能会很有趣。极高的输出峰值功率要求啁啾脉冲放大与体放大器系统相结合，而参数化设备可以提供广泛的波长范围，但也可以提供简单的高增益脉冲放大。

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