飞秒激光放大器

    由飞秒激光振荡器产生的激光脉冲的单脉冲能量通常只有几到十几个纳焦耳(10-9J)。为了得到较高能量的飞秒激光脉冲，往往需要用飞秒激光放大器对飞秒激光振荡器输出的飞秒激光脉冲进行能量放大。

    由于飞秒脉冲非常之短，脉冲能量的直接提高会导致极大的峰值功率从而会损坏放大器光路中的光学元器件，因此，飞秒脉冲在被送入放大器之前必须先要进行脉冲展宽[一般展宽到几十或几百个皮秒(10-12s)]，然后再进行放大。放大之后的光脉冲在光束横截面大幅度提高的条件下再压缩回飞秒。这就是在超短脉冲激光放大器中广泛使用的CPA技术(Chirped Pulse amplification)。 用来展宽脉冲的装置称为光脉冲展宽器(optical pulse stretcher),而用来压缩脉冲宽度的装置则称为光脉冲压缩器(optical pulse compressor)。最常用的光脉冲展宽器和光脉冲压缩器都由光栅或光栅对等光学元器件组成。

    飞秒激光放大器通常有两种类型：一种是再生放大器，一种是多通放大器。根据脉冲能量大小的要求，两类放大器也常常组合在一起使用。即先用再生放大器产生毫焦耳(10-3J)量级的脉冲而后再用多通放大器产生几十毫焦耳，乃至上百毫焦耳或更高能量的脉冲。再生放大器本身实际上犹如一台激光器，所不同的只是激光谐振腔内多了（可从电路上进行控制的）快速开启和关闭的光开关，致使受激辐射放大的信号是从激光腔外引入的待放大的种子激光脉冲而非自生的初始自发辐射光。种子激光脉冲在腔内往返多次，得到充分的放大后再由光开关导出腔外。多通放大器则是在没有激光谐振腔的情况下，将待放大的脉冲送入被激励的增益介质中进行放大。一次通过增益介质的为单通放大器，多次通过增益介质的为多通放大器。视具体飞秒激光放大器的设计和运转特性而定，对于能量为纳焦耳的入射脉冲而言，飞秒激光放大器的能量放大倍数可以高达106以上。



图2. 飞秒激光放大系统框图 

    由于飞秒振荡器和飞秒放大器分别由两个激光器提供泵浦能量,一个飞秒激光放大系统中实际上至少包含了四台激光器。

    经过飞秒激光放大器放大后的脉冲序列的重复频率一般由激励放大器增益介质的泵浦脉冲的频率来决定，与飞秒激光振荡器脉冲重复频率不再相同。飞秒激光振荡器脉冲重复频率往往为几十或上百兆赫兹，而飞秒激光放大器的脉冲重复频率通常为几个赫兹至几千赫兹。这就是通常所说的飞秒激光反大器重复频率的Step down。对于连续光激励的再生放大器，被放大的脉冲序列的重复频率则由腔内的光开关的工作频率来决定，最终受限于放大器增益介质激光上能级的响应和弛豫时间。

    除了要防止打坏光学元器件的问题之外，使用飞秒激光放大器的另一个非常值得关注的问题是放大后激光脉冲中“被放大的自发辐射”的含量, 即所谓的ASE(Amplified spontaneous emission)问题.尤其是在多通放大器中，若不加小心，这个问题会变得相当严重，大大影响飞秒激光放大器的使用效果。

    何为太瓦？如果经过放大后的激光脉冲能量是100毫焦，脉冲宽度被压缩回100fs,那么该脉冲的峰值功率便是10-3/10-15=1012瓦，也就是1太瓦，一个高得难以想象的峰值功率！将这一束光汇聚成10微米大小，我们得到的将是1018W/cm2的光强。