在探索飛秒激光技術(shù)的領(lǐng)域中，鈦藍(lán)寶石（Ti:Sapphire）和摻鐿（Yb）激光器的比較研究揭示了兩種系統(tǒng)各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛在應(yīng)用。從最早的鎖模激光器的誕生到現(xiàn)代全固態(tài)自鎖模飛秒激光器的開發(fā)，技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了物理學(xué)研究的邊界，到鈦藍(lán)寶石激光器在超快現(xiàn)象物理學(xué)研究中的革命性作用，再到摻鐿晶體激光器因其高效率和低熱負(fù)荷而受到的關(guān)注，通過對(duì)比這兩種激光系統(tǒng)的技術(shù)原理、性能參數(shù)、適用性以及它們?cè)谑袌?chǎng)上的地位，旨在為科研人員和工程師提供指導(dǎo)，幫助他們根據(jù)具體需求選擇最合適的飛秒激光技術(shù)路徑。

超短脈沖的產(chǎn)生是基于激光腔中多個(gè)縱模的鎖相，當(dāng)這些模式被鎖在一起時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性干擾，從而導(dǎo)致短脈沖的產(chǎn)生。這些激光器就是所謂的鎖模激光振蕩器。自從1964年第一代鎖模激光器[1,2]以來，發(fā)生了許多重大的變化。第一次主要的演變發(fā)生在70-80年代的，使用了飛秒染料激光器[3,4]：這是第二代鎖模激光器。但是，也許最重要的進(jìn)展與90年代初的突破有關(guān)，當(dāng)時(shí)鎖模激光器的出現(xiàn)了一種新的固體激光介質(zhì)：鈦摻雜藍(lán)寶石[5,6]。這一事件標(biāo)志著第三代飛秒激光器[7]的開始：全固態(tài)自鎖模飛秒激光器。這種鎖模飛秒激光與啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)[8,9]相結(jié)合的放大器系統(tǒng)，在參數(shù)性能、效率和功能性方面都有了很大的改進(jìn)，徹底改變了超快現(xiàn)象的物理學(xué)研究。[10]

激光放大器的工作原理始于泵浦過程，通常需要一個(gè)強(qiáng)烈的連續(xù)波激光或另一個(gè)脈沖激光作為泵浦源。這個(gè)泵浦源用于激發(fā)增益介質(zhì)（Ti:Sapphire/Yb晶體等）中的電子到更高的能級(jí)。當(dāng)電子達(dá)到激發(fā)態(tài)后，它們會(huì)在一個(gè)低能量的飛秒脈沖通過晶體時(shí)釋放能量，從而實(shí)現(xiàn)脈沖的放大。它們已經(jīng)能夠產(chǎn)生超短超高功率(高達(dá)10¹⁵W)脈沖，這與超高強(qiáng)度物理的開始和飛秒激光鏈應(yīng)用的大規(guī)模擴(kuò)展相對(duì)應(yīng)。

飛秒激光放大器在選擇增益介質(zhì)時(shí)，通常會(huì)在鈦寶石（Ti:Sa）和摻鐿（Yb）材料之間權(quán)衡。各種產(chǎn)生超短脈沖的新型晶體帶來的突破使超快激光技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)生了革命性的變化。第一次革命發(fā)生在90年代，開發(fā)出了第一臺(tái)緊湊、高效、可靠的鈦寶石全固態(tài)鎖模激光器；第二次革命--特別是由于新的摻Y(jié)b晶體--涉及到非常高效的直接二極管泵浦的飛秒激光器的發(fā)展。這些新一代鎖模激光器使應(yīng)用得到了迅速擴(kuò)展，因此引起了人們的極大關(guān)注。但對(duì)于這兩種激光器如何選型可能還有不少疑問，在下文中我們將從技術(shù)原理，市場(chǎng)產(chǎn)品等角度對(duì)市場(chǎng)主流的兩類飛秒激光放大器（Ti:Sa/Yb）分別進(jìn)行介紹。

1、鈦藍(lán)寶石飛秒（Ti:Sapphire）

鈦藍(lán)寶石飛秒激光放大器，通常稱作鈦寶石飛秒激光器，用于放大極短的光脈沖能量。這種激光器利用鈦摻雜的藍(lán)寶石（Ti:Sapphire）晶體作為增益介質(zhì)，摻鈦藍(lán)寶石(鈦：藍(lán)寶石)晶體具有優(yōu)異的激光性能。我們可以很容易地處理鈦寶石，因?yàn)樗跐穸戎懈叨确€(wěn)定，由于足夠的發(fā)射截面而適當(dāng)?shù)孬@得放大的高增益，并且還可以用于高能量放大器，因?yàn)樗梢杂捎诟邔?dǎo)熱系數(shù)而承載很大的熱負(fù)載。然而，鈦寶石最明顯的特點(diǎn)是它是所有固體激光材料中最寬的增益帶寬，可以提供足夠?qū)挼墓庾V來產(chǎn)生亞10飛秒的光脈沖。

鈦：藍(lán)寶石晶體

鈦寶石放大器系統(tǒng)主要由幾個(gè)部分組成：泵浦激光器提供必要的能量來激發(fā)鈦寶石晶體產(chǎn)生初始飛秒脈沖，并作為放大過程的振蕩器；脈沖展寬器在放大前擴(kuò)展脈沖寬度以防晶體損傷；放大器本身包含鈦寶石晶體，負(fù)責(zé)放大脈沖；最后，脈沖壓縮器在放大后將脈沖壓縮回其原始或更短的時(shí)長(zhǎng)。

Ti藍(lán)寶石飛秒脈沖的產(chǎn)生和啁啾脈沖再生放大實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

FR為 Faraday 旋轉(zhuǎn)器PC 為 PockelscelI 盒TFP 為薄膜偏振片[11]

鈦寶石飛秒激光放大器的技術(shù)特點(diǎn)包括寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍、超短脈沖寬度以及高峰值功率。其波長(zhǎng)通?？梢哉{(diào)諧在700至1000納米范圍內(nèi)，為了得到所需的脈沖寬度和能量，在后續(xù)放大過程中可以對(duì)脈沖進(jìn)行精確的壓縮和進(jìn)一步放大。鈦寶石飛秒激光放大器可以提供超高峰值功率，盡管其平均功率不一定很高，但它超短的脈沖寬度意味著在脈沖峰值時(shí)可以達(dá)到極高的功率，這對(duì)于非線性光學(xué)等應(yīng)用尤為重要。

再生放大器系統(tǒng)、飛秒鈦藍(lán)寶石激光振蕩器、展寬和壓縮器的示意圖。[12]

2、摻鐿飛秒（Yb:KGW）

自90年代以來，鈦藍(lán)寶石晶體已經(jīng)成為利用啁啾脈沖放大技術(shù)產(chǎn)生超短脈沖和超強(qiáng)脈沖的首選晶體。在這些發(fā)展導(dǎo)致商業(yè)產(chǎn)品的同時(shí)，人們也已經(jīng)研究了新的激光晶體，以便直接達(dá)到其他波長(zhǎng)范圍，并克服開發(fā)連續(xù)或脈沖綠光激光器來泵浦鈦藍(lán)寶石晶體的需要。為了能夠用非常高效、高功率的半導(dǎo)體激光器直接泵浦晶體，人們開發(fā)了摻Yb3+的新型晶體。摻Yb3+晶體是允許二極管泵浦的特殊晶體[13,14]。Yb3+具有良好的激光性能。首先，這種離子的低量子缺陷減少了熱負(fù)荷，從而減少了熱問題。其次，Yb3+中沒有額外的寄生能級(jí)，避免了上轉(zhuǎn)換、激發(fā)態(tài)吸收和濃度猝滅等不良效應(yīng)。此外，相較于摻釹材料（也是用于高效二極管泵浦激光器的稀土離子摻雜材料），Yb摻雜材料展現(xiàn)出更為寬泛的發(fā)射光譜特性，這一優(yōu)勢(shì)使其在超快激光器的研發(fā)進(jìn)程中更加具有吸引力。

以我們最常用的Yb：KGW晶體為例，它的增益帶寬為~18 nm，可支持亞200fs的脈沖[15]。然而，由于放大器的增益變窄，從Yb：KGW再生放大器輸出的脈沖通常被壓縮到300-500飛秒[16]。為了獲得更短的脈沖，已經(jīng)開發(fā)了幾種方法來擴(kuò)展輸出頻譜（比如使用具有兩個(gè)不同光軸的雙Yb：KGW晶體）[17,18]。然而，這使得系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜和龐大。另一種策略是非線性放大，它通過自相位調(diào)制(SPM)來展寬光譜，以緩解增益窄化效應(yīng)[19,20]。

Yb:YAG晶體和Yb:KGW晶體

Yb固體飛秒激光放大器與Ti寶石的結(jié)構(gòu)類似，也是主要由振蕩器、脈沖展寬器、再生放大器和光柵壓縮器組成。區(qū)別在于摻Yb介質(zhì)中的吸收帶(如下圖所示，范圍為900-980 nm)被高功率InGaAs激光二極管覆蓋。這使得直接二極管泵浦和高效緊湊型全固態(tài)激光器的開發(fā)成為可能。

Yb：YAG和Yb：CaLGO的發(fā)射光譜和吸收光譜[10]

Yb:KGW飛秒再生放大系統(tǒng)結(jié)合了釔鋁石榴石摻雜釔（Yb:KGW）晶體的出色激光性能和再生放大技術(shù)的高效能量增益，由于其寬帶寬和高效率的激光轉(zhuǎn)換性能，成為飛秒激光系統(tǒng)中理想的增益介質(zhì)。這種晶體不僅也支持極短的飛秒脈沖產(chǎn)生，還因其良好的熱性能，在高功率激光放大時(shí)保持光束質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在Yb:KGW飛秒再生放大系統(tǒng)中，脈沖在增益介質(zhì)—Yb:KGW晶體的幫助下，在放大器腔內(nèi)進(jìn)行多次循環(huán)，每次循環(huán)都顯著增加脈沖的能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)單一脈沖能量的大幅提升。這一放大過程的結(jié)果是產(chǎn)生了具有極高峰值功率的飛秒脈沖，同時(shí)保持了極短的脈沖寬度和優(yōu)良的光束質(zhì)量。這種高性能的輸出使Yb:KGW飛秒再生放大系統(tǒng)在需要精細(xì)控制和高重頻的應(yīng)用中成為了理想選擇。

Yb:KGW固體飛秒激光放大器原理圖[15]

3、二者參數(shù)對(duì)比各自優(yōu)劣？

關(guān)于鈦寶石和Yb激光的選擇，更多的是從成本和市場(chǎng)成熟產(chǎn)品的角度來決定的，摻鐿（Yb）材料的優(yōu)勢(shì)是高效率和低熱負(fù)載：與鈦寶石相比，摻鐿增益介質(zhì)（如Yb:YAG、Yb:KGW等）通常具有更高的光-光轉(zhuǎn)換效率和更低的熱負(fù)載。這使得Yb系統(tǒng)在高功率運(yùn)行時(shí)更為穩(wěn)定，且易于冷卻。另外從泵浦源靈活性：摻鐿材料可以被不同類型的泵浦源（如激光二極管）有效泵浦，而鈦藍(lán)寶石材料通常需要更專門的泵浦源（如綠光或紫外線激光器），由于激發(fā)波長(zhǎng)波段在500 nm附近，所以很難用市場(chǎng)上銷售的激光二極管直接激發(fā)。主要是鈦：藍(lán)寶石晶體的功率放大過程極其相關(guān)成本。大尺寸（直徑100mm）摻雜鈦藍(lán)寶石晶體，成本非常高（60k EUR），交付時(shí)間非常長(zhǎng)（>1年），并且目前的鈦寶石激光器中，當(dāng)泵浦波長(zhǎng)為532 nm時(shí)，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的閾值是10J/cm²，出于安全原因，激光器制造商將流暢度保守地設(shè)置為1J/cm²，低于損壞閾值(10J/cm²)的10倍111。該值對(duì)應(yīng)于30%范圍內(nèi)的萃取效率，甚至低于鈦寶石的飽和流度，不符合最佳功率放大條件。如此低的泵浦流暢性意味著放大過程中的提取效率低，并且極大地浪費(fèi)了泵浦能量，而泵浦能量是鈦寶石放大器中最昂貴的部分。此外，對(duì)于給定的輸出提取能量，需要大約2倍的泵浦激光器。[21]

這就導(dǎo)致了Ti:Sapphire激光器如果要獲得較高的平均功率，就需要有一個(gè)超高功率的激光泵浦源，會(huì)極大的增加系統(tǒng)的成本，另外當(dāng)鈦寶石激光器在高重頻率下工作時(shí)，在熱管理上也是一個(gè)非常大的問題，增益介質(zhì)中的熱負(fù)載顯著增加，而鈦寶石的熱傳導(dǎo)性相對(duì)較低，因此在高重復(fù)頻率下有效地?zé)峁芾砗蜕岢蔀橐粋€(gè)問題。過高的熱負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致晶體中的熱透鏡效應(yīng)，從而影響激光輸出的質(zhì)量和穩(wěn)定性，只能通過更換大尺寸的鈦寶石晶體來解決，這再次增加了系統(tǒng)的成本。但對(duì)于大功率的鈦寶石激光來說，除了價(jià)格還又有一個(gè)不得不考慮的現(xiàn)實(shí)問題——“禁運(yùn)”。

參考美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局（Bureau of Industry and Security, BIS）發(fā)布的商務(wù)管制清單（Commerce Control List, CCL）。CCL詳細(xì)列出了受出口控制的商品、軟件和技術(shù)，每一項(xiàng)都有一個(gè)特定的出口控制分類號(hào)（Export Control Classification Number, ECCN）來描述該項(xiàng)并指示其許可要求。CCL被分為十大類別，每個(gè)類別進(jìn)一步細(xì)分為五個(gè)產(chǎn)品組。針對(duì)激光器，最相關(guān)的類別可能是：《6. 傳感器和激光》，這一類別涵蓋了各種傳感器和激光設(shè)備，包括高功率鈦寶石激光器。

Commerce Control List·CATEGORY 6 - SENSORS AND LASERS》中關(guān)于540-975nm波段非”可調(diào)諧”脈沖激光器的具體出口限制要求如下：

B.4.輸出波長(zhǎng)超過540 nm但不超過800 nm，以及下列任何一種：b.4.a.。“脈沖持續(xù)時(shí)間”小于1 ps和下列任何一項(xiàng)：b.4.a.1。單脈沖輸出能量超過0.005 J和“峰值功率”超過5GW；或b.4.a.2。“平均輸出功率”超過20W；

B.5.輸出波長(zhǎng)超過800 nm但不超過975 nm，以及下列任何一種：b.5.a.。“脈沖持續(xù)時(shí)間”小于1ps和下列任一項(xiàng)：b.5.a.1。單脈沖輸出能量超過0.005 J，“峰值功率”超過5GW；或b.a.2。“單橫模”輸出，“平均輸出功率”超過20W；[22]

所以對(duì)于眾多對(duì)脈沖寬度不敏感的應(yīng)用來說，相同功率參數(shù)下采用Yb的光纖或固體激光方案可能會(huì)是更合適的選擇，Yb系統(tǒng)在高重頻操作中表現(xiàn)更好，具有更高的熱導(dǎo)性和效率。如上圖表格中的參數(shù)示例，對(duì)于市場(chǎng)需求量最大的10-20W飛秒激光器，基于國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的鐿鐳Yb激光器HELIOS系列幾乎是在除單脈沖能量和脈寬之外的所有參數(shù)表現(xiàn)上都要優(yōu)于COHERENT的Ti寶石激光ASTRELLA系列，HELIOS系列擁有更高的平均功率、更高的重頻調(diào)節(jié)范圍、更低的售后成本和更小的設(shè)備尺寸。如果是有短脈沖需求，還可以配合MPC（HYPERION系列）在保證>90%的傳輸效率的前提下，將輸出300fs左右的脈寬同樣壓縮到<50fs。另還有非常關(guān)鍵的一點(diǎn)就是，就算是高能量和高峰值功率的需求，從價(jià)格方面來說，使用HELIOS-HE系列搭配HYPERION-HE也可以滿足mJ級(jí)的40fs輸出，并且即使是二者搭配下來使用的市場(chǎng)價(jià)格也要比同樣功率的Ti寶石系列更有優(yōu)勢(shì)。

飛秒Yb固體激光器Vs 傳統(tǒng)Ti:sa飛秒固體激光器

此外，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，研究人員和工程師也一直在尋找、開發(fā)和測(cè)試其他類型的增益介質(zhì)新的材料和配置，以克服這些限制并提供更多的性能選項(xiàng)。

4、市場(chǎng)需求是什么？分別適用于哪些應(yīng)用領(lǐng)域？

除常見的鈦寶石（Ti:Sapphire）和摻鐿（Yb）材料之外，還有很多針對(duì)某些特殊應(yīng)用的晶體材料，比如摻鉺（Er）、摻鉬（Mo）、摻鈥（Ho）、摻銩（Tm）等。每種材料都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。在選擇某種材料晶體作為激光增益介質(zhì)時(shí)，主要考慮因素包括脈沖寬度、輸出功率、泵浦源的可用性和成本效益、以及特定應(yīng)用的需求。

鈦寶石晶體由于能產(chǎn)生更短的脈沖和更寬的調(diào)諧范圍，在需要極高時(shí)間分辨率或超高峰值功率的應(yīng)用中更受歡迎。

鈦藍(lán)寶石（Ti:sapphire）飛秒激光系統(tǒng)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)TW（太瓦）至PW（拍瓦）級(jí)峰值功率的激光技術(shù)中最常用和最有效的方法之一。在這些系統(tǒng)中，通過應(yīng)用各種脈沖的啁啾和壓縮以及多級(jí)放大技術(shù)，從而大幅提高峰值功率。將初始的低功率激光脈沖放大到太瓦（TW）甚至拍瓦（PW）級(jí)的峰值功率。

種子光源（也稱為激光種子源）是整個(gè)激光放大鏈的起始點(diǎn)，其性能直接影響到最終輸出激光的質(zhì)量和穩(wěn)定性。這時(shí)鈦寶石激光的高單脈沖能量和極短脈寬的特點(diǎn)就非常適合用來放大獲得更高的峰值功率。這類系統(tǒng)依賴于鈦藍(lán)寶石晶體的寬帶寬和高功率激光放大能力，結(jié)合先進(jìn)的激光泵浦技術(shù)和光學(xué)設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)極高的峰值功率。此時(shí)，脈沖具有極高的能量密度和極短的持續(xù)時(shí)間，被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)研究、材料加工、醫(yī)學(xué)治療和軍事等領(lǐng)域。

 (A)太瓦飛秒Ti:Sapphire激光系統(tǒng)前端和壓縮部分的布局。(B)系統(tǒng)的放大器部分。

用兩個(gè)總能級(jí)為1.3J的同步商用調(diào)Q Nd：YAG激光器泵浦放大器，以增加輸出能量。僅用兩個(gè)Ti:Sapphire放大器，我們就獲得了4x108的凈增益。結(jié)果，產(chǎn)生了峰值功率為1.5TW、能量為230mJ、脈寬為150fs的激光脈沖。由于該激光器可以在10赫茲的重復(fù)頻率下工作，因此也產(chǎn)生了2W的平均功率。[23]

而摻Yb的系統(tǒng)在同時(shí)需要高功率/高重頻，但對(duì)能量要求不那么高的超快光譜學(xué)、動(dòng)力學(xué)過程觀測(cè)以及材料微納加工的一些應(yīng)用中更為合適。比如超快光譜學(xué)，它是一種研究物質(zhì)在極短時(shí)間尺度上動(dòng)態(tài)過程的技術(shù)，它能夠揭示分子、原子乃至電子的快速動(dòng)態(tài)變化。超快光譜學(xué)應(yīng)用中的眾多反應(yīng)過程都是在ps/fs尺度發(fā)生，為了能夠解析非?？焖俚倪^程，超快光譜學(xué)需要極短的脈沖寬度，也要在飛秒（10−15秒）級(jí)別，這樣的脈沖寬度可以提供足夠的時(shí)間分辨率，以觀察和測(cè)量分子振動(dòng)、電子轉(zhuǎn)移等超快過程。這一過程通常對(duì)能量的要求并不嚴(yán)格，特別是在像一些生物樣品和敏感材料的研究中，常規(guī)的μJ甚至nJ量級(jí)即可完成材料或成分的激發(fā)。適當(dāng)?shù)拿}沖重復(fù)率有助于優(yōu)化信號(hào)采集速率和熱效應(yīng)管理，對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)效率和避免樣品損傷非常關(guān)鍵，這就非常契合Yb激光系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求，Yb激光光源的脈沖重復(fù)率可以從kHz（千赫）到MHz（兆赫）不等，相比于鈦寶石的常規(guī)kHz量級(jí)的重復(fù)頻率，大大縮短采集時(shí)間，實(shí)驗(yàn)效率提升10倍不止。

寬帶脈沖振動(dòng)光譜的基頻光(黑色，虛線)，探測(cè)光(綠色)和泵浦光(橙色)波束路徑的示意圖實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

SAP = 藍(lán)寶石片 ND = 可變中性密度濾光器CM= 啁啾鏡 WP =楔形棱鏡。[24]

Yb激光系統(tǒng)因其高效率、低熱負(fù)載以及與高功率InGaAs激光二極管的直接泵浦能力而顯著突出。它的優(yōu)勢(shì)不僅在于能提供穩(wěn)定的高功率輸出，還在于其結(jié)構(gòu)的緊湊性，這使得Yb激光系統(tǒng)成為實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。特別是在需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和高穩(wěn)定性的應(yīng)用中，Yb激光的獨(dú)特性能允許它超越傳統(tǒng)的鈦藍(lán)寶石激光，開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。未來，隨著對(duì)激光性能要求的不斷提高，Yb激光器有望在超快激光領(lǐng)域扮演更加重要的角色，推動(dòng)科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用達(dá)到新的高度。因此，選擇Yb激光系統(tǒng)不僅是對(duì)當(dāng)前技術(shù)的投資，更是對(duì)未來潛力的把握，標(biāo)志著我們進(jìn)入了超快激光技術(shù)的新時(shí)代。

未來，隨著新材料的開發(fā)和激光技術(shù)的進(jìn)步，我們期待發(fā)現(xiàn)更多新的激光增益介質(zhì)，這些新材料將在降低激光器成本的同時(shí)進(jìn)一步提高飛秒激光系統(tǒng)的性能。此外，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改進(jìn)，例如通過增加泵浦效率、優(yōu)化熱管理或開發(fā)新的脈沖壓縮技術(shù)，也將使得飛秒激光技術(shù)未來能在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮作用。因此，持續(xù)的研究和創(chuàng)新是推動(dòng)超快激光技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，克服現(xiàn)有技術(shù)的限制，開拓激光技術(shù)的新境界！

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