皮秒激光器與飛秒激光器之間有何特點差異

自20世紀60年代中后期激光鎖模技術(shù)發(fā)明以來，人們就可以從激光器中獲得皮秒（10-12s）及飛秒（10-15s）量級脈沖輸出。從此激光脈沖進入了超短脈沖的時代。這兩者有很多的共性，但又有不少差異。

對增益介質(zhì)的要求不同

根據(jù)傅里葉變換，對于一個1 ps的1064 nm中心波長的激光脈沖，其光譜寬度只有1.5 nm。幾十皮秒的激光器的光譜寬度更窄，以至于都無法用分辨率相對較低的光譜儀準確測量出光譜寬度,如圖1。而對于飛秒激光器，以100 fs的1030 nm激光為例，其光譜寬度就達到了15 nm左右，超出了很多增益介質(zhì)的能力，如圖2。能支持30 fs以下脈沖寬度的激光介質(zhì)則更加少見。

圖1 皮秒脈沖對應(yīng)的時間和光譜寬度

圖2 飛秒激光脈沖時間寬度（自相關(guān)曲線）及其對應(yīng)的光譜寬度

皮秒激光和飛秒激光都能通過激光鎖模的方式獲得

對于飛秒脈沖來說，鎖模幾乎是唯一的實現(xiàn)手段，但對于皮秒脈沖，特別是10 ps量級的脈沖，可以通過增益開關(guān)技術(shù)直接從半導(dǎo)體激光器中獲得。因此，相對來說皮秒激光器成本可以更低。由于飛秒脈沖太短，即使只有微焦量級的脈沖能量，脈沖的峰值功率也可以達到幾十兆瓦（MW）量級，因而在傳輸過程中有非常大的非線性效應(yīng)，要么破壞光學(xué)元器件，要么脈沖本身的特性受到影響。所以，飛秒激光更難獲得高平均功率和高脈沖能量。高平均功率和高脈沖能量的飛秒激光脈沖需要采用啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)來實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較低，成本較高，如圖3所示。

圖3 為獲得高脈沖能量和極高峰值功率的飛秒脈沖啁啾放大示意圖

皮秒激光和飛秒激光同物質(zhì)相互作用的優(yōu)劣稍有不同

根據(jù)漢諾威大學(xué)Chichkov等提出的雙溫模型，金屬中電子與晶格的作用時間基本在若干ps量級。因此，若干皮秒至飛秒量級的激光脈沖都可以實現(xiàn)金屬材料的“冷加工”，即晶格的溫度一直保持比較低，不會出現(xiàn)熔融狀態(tài)的“熱區(qū)”，激光照射的區(qū)域內(nèi)物質(zhì)直接通過氣化的形式脫離出去，形成很整潔和精密的加工形貌。皮秒脈沖相對來說更容易做到具有較高的脈沖能量，因此若干皮秒量級的脈沖激光器是金屬精密加工的首選。

超短脈沖激光與透明介質(zhì)相互作用時多光子電離等非線性效應(yīng)占主導(dǎo)地位。飛秒激光更容易達到非線性閾值，對材料的吸收特性適應(yīng)性更廣，不需要頻率轉(zhuǎn)換到較短的藍光甚至紫外波長。因此在透明介質(zhì)加工（打標、鉆孔、切割等）以及波導(dǎo)刻寫等場合飛秒量級的脈沖激光器更具有優(yōu)勢。此外，在超分辨率加工方面，飛秒激光以其極高的峰值功率和較低的平均功率，在與光子硬化透明材料相互作用時，可以通過多光子吸收過程得到納米量級分辨率的超精細結(jié)構(gòu)，且不至于由于過多的能量而破壞有機聚合物。表1為幾種常見材料的加工與對應(yīng)的超短脈沖激光的選擇。

表1 幾種常見材料的加工與對應(yīng)的超短脈沖激光的選擇

飛秒脈沖比皮秒脈沖在泵浦探測以及基于脈沖飛行時間的距離測量等方面的分辨率更高

飛秒激光脈沖的光譜寬度更寬，通過光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)光譜時光譜的相干性更高，通過精密的脈沖包絡(luò)以及載波-包絡(luò)相位控制技術(shù)，可以獲得超高精度的激光頻率梳，在精密光學(xué)計量、精密光譜測量以及精密絕對距離測量等方面正展現(xiàn)出前所未有的影響力。圖4為雙光梳精密光譜測量示意圖。

圖4 雙光梳精密光譜測量示意圖。此方案利用了雙光梳快速互掃描（微秒量級）和極高的頻率分辨率，正成為精密光譜（和測距）領(lǐng)域的研究及應(yīng)用前沿

總之，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，特別是光纖及半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展，高可靠性、較低成本的超短脈沖激光正在越來越廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。


審核編輯：湯梓紅