2015年，美國Newport公司收購?qiáng)W地利公司Femtolasers（以下簡(jiǎn)稱Femto）是超快激光行業(yè)的一大新聞，自此以后，超快激光界，尤其在阿秒科學(xué)領(lǐng)域缺失了一支強(qiáng)大的激光隊(duì)伍。鈦寶石超快激光市場(chǎng)繼續(xù)被相干和光譜物理兩家公司壟斷。而美國的KMLabs、俄羅斯的Avesta以及國內(nèi)的一些公司雖具備一定技術(shù)能力，但市場(chǎng)占有率極低，預(yù)計(jì)短期內(nèi)，鈦寶石的市場(chǎng)分配應(yīng)該不會(huì)有太大的改變。

回歸主題，F(xiàn)emto公司的中堅(jiān)技術(shù)力量是否還繼續(xù)存在于母公司？對(duì)此我們不得而知，只是光譜物理公司網(wǎng)站上只能看到少有的幾款Femto鈦寶石超快振蕩器，而其曾負(fù)盛名的鈦寶石放大系統(tǒng)-FemtoPower卻不見了蹤影，小憾。該系統(tǒng)是筆者調(diào)節(jié)和拆卸過最復(fù)雜的激光器，在此詳細(xì)介紹一下此系統(tǒng)的基本原理和設(shè)計(jì)技巧。

圖1：Femtopower外觀圖

一．基本原理

FemtoPower是典型的啁啾脈沖鈦寶石放大系統(tǒng)，可以將此系統(tǒng)拆分為種子源、展寬器、放大器和壓縮器來理解整個(gè)系統(tǒng)的基本原理【1】。此外該系統(tǒng)還擁有CEP穩(wěn)定和Hollow-core fiber 脈沖非線性壓縮等選項(xiàng)。

1. 種子源和展寬器

圖2：振蕩器、DAZZLER和材料展寬器

該激光系統(tǒng)的種子源是一臺(tái)亞10飛秒的振蕩器，超寬的光譜范圍為后續(xù)得到較窄的脈沖寬度奠定了基礎(chǔ)，并且也為使用差頻的辦法鎖定CEP提供了足夠的帶寬。該振蕩器是Femto公司的拳頭產(chǎn)品，目前還存活于光譜物理的產(chǎn)品線中。

不同于其他公司復(fù)雜的基于光柵的脈沖展寬器，舊版本的FemtoPower使用非常緊湊的塊材料展寬器，展寬后的脈沖寬度大約為10ps，這樣的脈沖寬度足以降低mJ量級(jí)放大器中的非線性效應(yīng)，新版本的放大系統(tǒng)加入了色散補(bǔ)償神器-Dazzler,使得最終的脈沖時(shí)間質(zhì)量得到進(jìn)一步提高，Dazzler的使用也進(jìn)一步改良了脈沖壓縮器，下文將詳細(xì)闡述。

2. 多通放大器

Femto的放大器設(shè)計(jì)早先是9通的設(shè)計(jì)，之后升級(jí)到了10通，并具有高能量多級(jí)放大的選項(xiàng)，本文只對(duì)10通放大器進(jìn)行詳細(xì)說明。

不同于相干公司和光譜物理公司的典型再生放大器設(shè)計(jì)，F(xiàn)emtoPower采用共焦多通放大的方案，利用凹面鏡的基本原理：平行凹面鏡軸心的光線均會(huì)聚于焦點(diǎn)，在焦點(diǎn)處放置鈦寶石晶體并調(diào)節(jié)泵浦光焦點(diǎn)于此處，實(shí)現(xiàn)泵浦和被放大光的空間耦合，具體光路參考圖3。經(jīng)過塊材料展寬后的脈沖入射到共焦腔內(nèi)，不經(jīng)過選單之間進(jìn)行MHz重復(fù)頻率的放大。四通放大以后脈沖得到上千倍的增益，然后經(jīng)過普克爾盒系統(tǒng)降頻到kHz量級(jí)，再注入到共焦腔中再進(jìn)行6通放大。此處的疑問是：如何實(shí)現(xiàn)在這么小的空間內(nèi)進(jìn)行10次放大。釋疑如下：

(1) 前四通：下圖是一個(gè)俯視圖，如從側(cè)面看，光斑在第一個(gè)凹面鏡、鈦寶石和第二個(gè)凹面鏡上的高度是不一樣的。由于光斑很小，使用1.5英寸和1英寸的鏡子就可以將10個(gè)光斑收納其中。

(2) 5-8通：光斑的高度正好和前四通是相反的，并且是對(duì)稱關(guān)系。

(3) 9-10通：將光高調(diào)整至前面八通的對(duì)稱分界線位置，進(jìn)行兩次放大，最后飽和輸出。如下圖，為預(yù)防放大光過早達(dá)到飽和狀態(tài)，將光斑進(jìn)行縮束，從而得到更大的聚焦光斑。

此處的疑問點(diǎn)是上文中提到的Dazzler在什么地方呢？初期的版本是沒有Dazzler的，新版本（或者叫做絕版）將Dazzler放在普克爾盒的后方，對(duì)降頻后的kHz脈沖進(jìn)行整形。

圖3：FemtoPower放大器設(shè)計(jì)

3. 脈沖壓縮器

圖4脈沖壓縮器。（左）舊版本，（右）新版本

FemtoPower舊版本的脈沖壓縮器使用雙棱鏡對(duì)的方案【2】，因?yàn)槔忡R對(duì)的二階和三階色散可以和材料的色散匹配，所以可得到壓縮質(zhì)量良好的脈沖，但是缺點(diǎn)也很明顯：棱鏡所引入的色散量非常小，這就需要非常長(zhǎng)的空間距離，反而造成了整個(gè)系統(tǒng)的龐大。新版本采用了透射光柵的辦法，但光柵對(duì)的三階色散和材料的三階色散是同符號(hào)的，不可能匹配，所以這就需要Dazzler來解決此問題，使用高分辨率的Dazzler，加載超高的三階正色散，問題迎刃而解！

透射光柵的缺點(diǎn)是會(huì)引入非線性，這個(gè)問題可以通過在壓縮器后方放置高色散量的啁啾鏡來解決，啁啾鏡拉長(zhǎng)了在光柵上的脈沖寬度，B積分減小。

二．設(shè)計(jì)技巧

總結(jié)一下該激光器在設(shè)計(jì)上的多種精妙技巧：

1. 對(duì)比度提高：首先，前四通使用MHz放大，讓密密麻麻的脈沖阻擋ASE對(duì)上能級(jí)粒子數(shù)的侵蝕。其次，使用幾乎沒有損耗的塊材料展寬器，提高種子光的單脈沖能量，進(jìn)一步抑制了ASE。

2. 色散管理：新版本摒棄了棱鏡壓縮器，用Dazzler和透射光柵取而代之，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和脈沖寬度可控制性。

3. 利用凹面鏡的基本原理實(shí)現(xiàn)了10通放大，并通過光束的變換抑制了放大的飽和效應(yīng)。

4. 多通放大保證了CEP鎖定的可能性，目前再生放大還不可以匹敵多通放大的CEP優(yōu)勢(shì)。Femto發(fā)展了獨(dú)特的CEP鎖定方案，具體參考Nature Photonics的文章【3】。

5. 使用此激光系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)源，配合充氣的Hollow-core fiber將脈沖壓縮器到周期量級(jí)。

圖5 周期量級(jí)脈沖產(chǎn)生裝置

波量科技的核心技術(shù)人員已經(jīng)使用和拆裝過不下10套Femto的振蕩器和放大器，在FemtoPower激光系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)和拆分重組方面，具備豐富的理論基礎(chǔ)和技術(shù)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。因此，作為讀者的你，如果正好使用此激光系統(tǒng)，若遇有故障，歡迎聯(lián)系我們，討論解決方案，for free！

參考文獻(xiàn)：

【1】S. Sartania, Z. Cheng, M. Lenzner, G. Tempea, Ch. Spielmann, F. Krausz, and K. Ferencz, "Generation of 0.1-TW 5-fs optical pulses at a 1-kHz repetition rate," Opt. Lett. 22, 1562-1564 (1997)

【2】Z. Cheng, F. Krausz, Ch. Spielmann, “Compression of 2 mJ kilohertz laser pulses to 17.5 fs by pairing double-prism compressor: analysis and performance, Compression of 2 mJ kilohertz laser pulses to 17.5 fs by pairing double-prism compressor: analysis and performance,”O(jiān)ptics Communications, Volume 201, Issues 1–3, 2002, Pages 145-155

【3】S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, and G. Steinmeyer, “Direct frequency comb synthesis with arbitrary offset and shot-noise-limited phase noise,” Nat. Photonics 4, 462–465 (2010).