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科普 | 太赫兹系统核心零部件——飞秒激光器

太赫兹源可以分为脉冲太赫兹源和连续太赫兹源。脉冲太赫兹源在时间上是一个长度在皮秒 ( ps，10^-¹²秒 ) 量级的脉冲信号，在频域上是一个宽谱信号，这种宽谱太赫兹源通常基于飞秒激光器产生，并在太赫兹时域光谱系统（Terahertz-Time Domain Spectroscopy ）中得到了广泛的应用；而连续太赫兹源在时间上是一系列振荡的连续信号，在频域上一般是一个单频信号，这种单频信号通常基于电子学器件产生。

▲ 飞秒激光器

在这里我们重点介绍一下太赫兹时域光谱系统中的核心零部件之一——飞秒激光器。基于光学方法产生的脉冲宽谱太赫兹源，一般都采用飞秒激光器作为泵浦光源。人们习惯采用一些特定参数来描述一束激光的特性，例如波长、脉宽、重复频率、单脉冲能量、平均功率等。波长表示激光器输出激光的波长，常见的有780nm、1064nm、1560nm等；脉宽是指输出激光单个脉冲的时间长度；重复频率（单位 Hz）是指激光器每秒出输出的激光脉冲的个数；单脉冲能量表示单个激光脉冲的能量强度；平均功率可以由重复频率与单脉冲能量的乘积。飞秒激光器特指输出激光脉宽为飞秒（fs，10^-¹⁵秒）量级的激光器，众所周知，光速是以30万千米每秒（1秒间绕地球7周半）无与伦比快的速度飞驰而过，但是在1飞秒期间连光也只不过前进了0.3微米。

▲ 飞秒激光器内部

飞秒激光器通常由三部分组成：增益介质、激励能源、光学谐振腔。激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。

l 增益介质：使受激辐射强度超过受激吸收强度，即使高能态的原子数多于低能态的原子数；

l 激励能源：要有必要的能量输入系统给增益介质能量，使尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态以实现粒子数反转，这一系统称作激励能源（或泵浦源）;

l 光学谐振腔：要有光的正反馈系统，受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数可使光辐射得到放大，要使这种光放大并且以一个副长光子感应产生一个受激发射光子的单次过程为主，还能形成高单色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必须使用光学谐振腔。

谐振腔的长度和谐振频率决定激光的输出模式，锁模技术是产生飞秒激光的基本方法，与调Q（Q-Switching）相类似，锁模也是对激光器腔内进行调制，让原本连续光分裂，从而产生脉冲。但是锁模与调Q仅仅是在物理现象上有所相似，其物理原理是完全不一样的。在正常工作的激光器中，起振的各纵模的相位是杂乱无章的（在这里我们把满足谐振腔共振条件的波长叫做纵模（Longitude mode），纵模表示激光的频域性质），因此在时域上表现出的是一个连续光；若纵模的相位（差）保持恒定时，激光在时域上的表象就是一个脉冲，若保持恒定的纵模个数越多，产生的脉冲就越窄，这个过程我们称之为锁模（Mode locking），或者相位锁定。

目前，常用的飞秒激光器可分为光纤飞秒激光器和固体激光器。光纤飞秒激光器采用光纤作为增益介质，产生的飞秒激光的单脉冲能量很低（约在纳焦量级），但通常重复频率很高（超过100MHz），因此平均功率能到毫瓦量级，且结构紧凑，体积较小，有利于太赫兹时域光谱系统的小型化；固体激光器采用固体激光材料（例如钛宝石）作为工作物质，产生的飞秒激光的单脉冲能量很高（毫焦甚至到焦耳量级），但重复频率相对较低，通常在1kHz以下，且整体体积较大，一般只在实验室中使用。采用光纤飞秒激光器作为泵浦源产生的太赫兹脉冲辐射单脉冲能量很低，重复频率很高，通常作为太赫兹时域光谱系统的源，与锁相放大器配合使用获得高信噪比的太赫兹光谱。