1背景介绍

自从 1965年人们利用被动锁模技术在红宝石激光器上直接产生皮秒级超短激光脉冲以来 ,超短脉冲技术的发展异常迅速。掺稀土元素光纤激光器也在 60年代出现 ,但由于早期光纤材料的损耗很大 ,因此 , 80年代以前其进展缓慢。进入 80年代以后 ,由于光纤通讯技术的发展及光纤材料特别是掺稀土元素光纤材料和新的激光泵浦技术的发展 ,光纤激光技术研究受到世界各国的普遍重视 ,目前已成为激光技术领域一个十分活跃的前沿研究方向。  

90年代初 ,光纤超短脉冲光源在光纤通讯系统中的应用得到了进一步的发展 ,特别是在1. 55μm窗口 ,掺 Er3+ 光纤超短光脉冲激光器伴随着掺Er3+ 光纤放大技术的成熟得到了很大的发展。以光纤作基质的光纤激光器阈值低、波长可调谐 ,是目前光通信领域的新兴技术 ,它支持更高的传输速度 ,是未来高码率密集波分复用系统和相干光通信的基础。其他稀土掺杂元素的光纤超短脉冲激光器在光纤通信、医疗和生物学等领域也具有诱人的应用前景。 

2超短脉冲光纤激光器原理及特点

光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质 ,比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有 Er、 Yb、 Nd、 Pr、 Tm、 Ho。光纤激光器由泵浦源、增益介质、腔镜组成。其中, LD发出的泵浦光经光纤耦合器进入光纤,使光纤中掺杂元素原子激发。腔镜为二色镜,反射输出激光,对泵浦光增透。与固体激光器相同,光纤激光器也是根据锁模原理产生短脉冲激光输出的。光纤激光器在增益带宽内的大量纵模上运转时,当各纵模相位同步,任意相邻纵模相位差为常数时实现锁模,谐振腔内循环的单个脉冲经过输出耦合器输出能量。根据锁模方式不同,可分为主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光器。由于主动锁模调制能力有限,限制了锁模脉冲的宽度,脉冲宽度通常为ps量级。被动锁模或自锁模光纤激光器是利用光纤或其它元件中的非线性光学效应实现锁模的 ,激光器结构简单 ,在一定条件下不需要插入任何调制元件就可以实现自启动锁模工作。通常自启动被动锁模光纤激光器可以输出 fs量级的超短脉冲由块状工作物质及各种光学元件组成的传统固体激光器存在体积大、质量大、结构松、可靠性差等缺点。而光纤激光器有以下特点: （ 1） 增益介质长 ,能方便地延长增益长度使抽运光充分吸收 ,光 -光转换效率超过 60% ; （ 2） 光纤激光器表面积/体积比大 ,其工作物质的热负荷相当小 ,光纤中的场主要约束在纤芯内 ,使纤芯中的场强很大 ,加之光纤的低损耗又使这种高光强可以保持很长距离,能产生甚高亮度和甚高峰值功率（ 140 mW /cm2）;（ 3） 易实现单模、单频运转和超短脉冲 （ fs） ; （ 4）光纤激光器体积小且结构简单,工作物质为柔性介质 ,使用方便; （ 5） 激光器可在很宽光谱范围内（ 455～ 3 500 nm）设计与运行 ,使光纤激光器可调。由于光纤激光器具有以上特点 ,因此采用光纤作为振荡器产生超短脉冲激光比传统固体激光放大器更具优势。2

3短脉冲光纤激光器的应用

飞秒激光精细材料加工

飞秒激光具有超短的脉冲宽度（10s）,很高的峰值功率（可达10w）和功率密度（10w/cm）,超微细加工是飞秒激光技术的重要的应用领域。

这一应用经过发展,已有了不少重要的进展。飞秒激光超微细加工与*的制造技术紧密相关,对某些关键工业生产技术的发展可以起到更直接的推动作用。与传统的加工用激光器如二氧化碳激光器、掺钦忆铝石榴石等激光器相比,由于飞秒激光加工产生的热影响区域非常小,能够得到更高的加工精度。通常,按激光脉冲标准来说,持续时间大于皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲,用它来加工材料,由于热效应使周围材料发生变化,从而影响加工精度。而脉冲宽度在皮秒以下的飞秒激光脉冲则拥有*的材料加工特性,脉冲时间远小于材料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时间从根本上避免了热扩散的存在和影响,没有热效应、加工孔径的熔融区很小或者没有;可以实现多种材料,如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻;加工区域可以小于聚焦尺寸,突破衍射极限等等。飞秒激光系统己用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中;用飞秒激光进行切割,几乎没有热传递,这种激光束能安全地切割高爆炸药;飞秒激光能用于切割易碎的聚合物,而不改变其重要的生物化学特性。此外,医学领域己将它作为超精密*刀,飞秒激光的热影响很小,用它做*不会损伤周围的其他组织,对于心肌梗塞、眼科手术、齿科治疗,飞秒激光也是理想的选择。

光学相干断层扫描技术

光学相干断层扫描技术（光学相干层析技术,Optical Coherence Tomography, OCT）是近十年迅速发展起来的一种成像技术,OCT早是卡尔·蔡司于上世纪90年代发明的,到现在己有3-5代。它利用弱相干光干涉仪的基本原理,检测生物组织或者患者病患部位不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号,通过扫描,可得到生物组织二维或三维结构图像,图像分辨率高可以达到到1u m,这一分辨率比其他的成像技术,如核磁共振成像或超声波CT,都要高。根据成像原理,OCT对光源的要求有几个基本要求:

1.近红外,使光线在生物组织中具有合适的穿透力,由于蓝光和紫外等短波长的光波在组织内会发生较较强烈的散射,只能穿透表皮附近的几百微米的厚度,所以不适合用作OCT的光源;而光波长大于2500nln,水分子的共振吸收将同样把成像深度限制在表皮下几百微米的范围内,所以佳的探测波长在1200-1800nm范围内;

2.短的相干长度,以实现高空间分辨率,一般来说光谱越宽则可以获得越高的空间分辨率和图像对比度;但宽光谱成像需要考虑修正常色散效应和色差的影响;3.高照度,由于生物组织的背向反射和散射信号比较微弱,因而对光源的强度有一定的要求,以提高图像的信噪比。

使用的光源主要有ELED、SLD光源等。一般使用广的是红外波段的SLD光源,但它的相干长度通常在ZOum左右,不足以达到某些高空间分辨率的应用要求;ELED光源相干长度较短,但发射光功率较低;而飞秒激光器非常适合用于作为OCT的光源,可以较好地符合上面提到的对光源的三个要求。已有关于钦蓝宝石锁模激光器和铬镁橄榄石锁模激光器产生的飞秒激光用于OCT的光源的研究,其具有的宽光谱可以实现高分辨率,高脉冲功率使得快速扫描得以实现。然而钦蓝宝石锁模激光器价格昂贵且体积大,便携性很差,一般只能在固定场合使用。工作在1.5um波段的掺饵光纤飞秒激光器具有和钦蓝宝石飞秒激光器同样的光谱和时域特性,并且更加轻便紧凑,可以弥补钦蓝宝石锁模激光器在便携性方面的缺点,但国内外在这方面的应用研究的报道还较少。

太赫兹波产生技术

太赫兹波（Terahertz从/aVe,THz）,是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波（1THz一10Hz）,其波段位于毫米波和远红外光之间（30um-3mm）,是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域。

由于物质在太赫兹波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息,并且太赫兹波辐射源与传统光源相比,具有相干性、低能、高穿透性等*、优异的特性,与太赫兹辐射相关的太赫兹波技术逐渐成为国际研究的热点。它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域,以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。太赫兹波频段是一个非常具有科学研究价值但又尚未充分研究开发的电磁辐射区域,早在20世纪20年代太赫兹波就引起了人们的兴趣。但一直缺少高能,且廉价实用的太赫兹波段的产生技术和有效的检测手段,成为限制现代太赫兹技术发展的主要因素,使得人们对这个频段的电磁波特性和应用知之甚少,形成了远红外线和毫米波之间的太赫兹空白。近年来,伴随着激光技术、量子技术和化合物半导体、超快技术等的迅猛发展,为实现稳定可靠的太赫兹波发射源提供了可能。根据太赫兹波产生的方式以及它所处电磁波谱中的位置,太赫兹波辐射可以利用光学技术和电子学技术两种方法来产生。常见的电子技术产生太赫兹波的方法有加速电子产生法等。光学产生方法主要有太赫兹波气体激光器、光整流、光电导以及非线性光学差频等方法,其中涉及到超短脉冲激光的是光整流方法和光电导方法。其中光整流方法（Optical Rectification）是*利用光学手端的产生方法,它利用超短激光脉冲,可以产生宽带亚皮秒脉冲的太赫兹辐射。光整流效应是一种非线性效应,直接利用高峰值功率的飞秒激光脉冲和非线性介质（如ZnTe、GaP、GaAs）相互作用,通过二阶和高阶非线性过程而产生低频电极化场,此电极化场在非线性介质表面辐射出太赫兹辐射,太赫兹光束的能量*来自激光脉冲,转换效率取决于激光脉冲功率、非线性系数和相位匹配条件。

光电导是另一种综合利用电学技术和超短激光脉冲产生太赫兹辐射的方法。

光电导天线又称光电导开关（Photoconductive Swatch）,其基本原理是利用飞秒激光脉冲触发直流偏置下的光电半导体,当入射飞秒脉冲的光子能量大于半导体的禁带宽度,光子能量被吸收,半导体表面瞬时产生大量自由电子一空穴对,泵浦飞秒激光脉冲产生的载流子会在半导体表面产生瞬间变化的电流,从而产生向外辐射的太赫兹辐射飞秒脉冲。泵浦脉冲在整个过程中就像一个开关,负责打开电流,因而被称为光电导开关。影响发射性能的因素主要有半导体基底的选择、光电导天线的几何结构以及泵浦激光脉冲的参数。现用作激光的飞秒光源有钦蓝宝石锁模激光器、锁模光纤激光器。相比而言,锁模光纤激光器结构更为紧凑,体积相对较小,成本也较低。光电导产生的太赫兹辐射具有较高的增益。其能量主要来自天线上所加的偏置电场。通过调节外加电场,只需中等强度的激光输入便可获得很强的太赫兹输出。  

超短脉冲激光器直接的应用就是作为超快光源 ,形成多种时间分辨光谱技术和泵浦 /探测技术 ,作为飞秒固体激光放大器的种子光源 ,可用于光纤型光参量振荡器与放大器系统 ,并可使用周期性极化铌酸锂 （ PPLN）进行倍频或频率转换。它的发展带动了物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域。 超短脉冲光纤激光器在通信、军事、工业加工、医学、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域具有广阔的应用前景。

超短光脉冲发生技术是实现超高速 OTDM系统的必要条件之一。 发送的信号光脉冲越窄 ,单位时间内发送的脉冲就越多 ,传输的信息量就越大。 模同步掺铒光纤环形激光器温度稳定 ,产生的脉冲几乎没有啁啾 ,在高频条件下 ,不需要进行啁啾补偿或脉冲压缩就能产生 10 ps 以下的超短脉冲。