飞秒激光器-光学太赫兹辐射源及生物医学应用

飞秒激光也叫超快脉冲激光,具有高峰值功率、极窄的脉冲宽度、作用时间短、波长可调谐的特点,广泛应用于各领域。飞秒激光器主要由泵浦源、增益介质、光学谐振腔组成,由泵浦源发出的泵浦光入射到钛宝石晶体产生反转粒子;谐振腔由平面镜和半透镜组成,两个曲率半径相同的凹面镜在腔内起聚焦作用;布儒斯特角的棱镜对用来进行色散补偿。飞秒激光器振荡器如图3-1所示。

图3-1　飞秒激光器振荡器

M1—高反射平面镜;P1、P2—棱镜;M2、M3—凹面镜;OC—输出耦合器

获得超短脉冲的主要方法就是运用调Q或锁模技术。在飞秒量级的激光技术中,获得超短脉冲的主要方法是锁模技术。利用锁模技术对激光束进行调制,使光束中不同的振荡纵模具有确定的相位关系,从而使各个模式相干叠加得到超短脉冲。锁模激光器脉宽可达(10~11)~(10~14)s,相应地具有很高的峰值功率。锁模的方法主要有两种：主动锁模和被动锁模。主动锁模是在激光腔内插入一个调制器,调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔,这样可以得到重复率为f=c/(2L)的锁模脉冲序列。根据调制原理的不同,调制可分为相位调制和振幅调制。被动锁模是根据可饱和吸收体的特性进行锁模的,在激光谐振腔中插入可饱和吸收体来调节腔内的损耗,当满足锁模条件时,就可获得一系列的锁模脉冲。根据锁模形成过程的机理和特点,被动锁模分为固体激光器的被动锁模和染料激光器的被动锁模两种类型。(www.xing528.com)

自1990年苏格兰Spence等发现掺钛蓝宝石激光的自锁模现象以来,自锁模技术已成为目前超短脉冲研究领域的主导。所谓自锁模,是指某些含有强克尔效应介质的振荡器,在特定的腔型结构下,无须采用任何外加的调制或饱和吸收体,即可实现稳定的锁模运转。关于钛宝石激光器自锁模的原理至今尚无统一的理论解释。但大多数学者认为,其锁模现象与掺钛蓝宝石增益介质的克尔效应引起的光束自聚焦有关。掺钛蓝宝石激光器自锁模属于被动锁模。从时域角度看,任何带有被动性质的锁模激光器,腔内都存在这样的元件,它们首先从噪声中选取强度较大的脉冲作为脉冲序列的种子,然后利用其锁模器件的非线性效应使脉冲的前后沿的增益小于1,而使脉冲中间的增益大于1,脉冲在腔内往返过程中不断被整形放大,脉冲宽度被压缩,直到稳定锁模。在掺钛蓝宝石自锁模激光器中,掺钛蓝宝石介质折射率的非线性效应可表示为

式中,n 0是没有发生非线性效应时的折射率,与光强无关;n 2是非线性折射率系数;I(t)为光强。

飞秒激光器具有峰值功率高、在极短时间内可以形成高能量的超短脉冲的特性。当飞秒激光器照射介质表面时,非线性吸收增强,吸收时间小于能量传递给晶格的时间,从而可以使得激光能量能够传递至介质的某些区域,当聚焦的能量足够大时,价带电子转变为导带电子,使得材料本身发生一些物理性变化,例如折射率的改变等。价带电子转变为导带电子的方式有多光子电离、雪崩电离等。