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飞秒激光脉冲的产生过程
亚游集团光电 / 2012-11-01

   单一频率的激光持续性的发光,其振幅不随时间改变。但如何制造出激光脉冲呢?把两个相位相同、频率不同的波相加,就会产生所谓的拍频,加强性干涉的部分就会大幅增强,相消性干涉的部分则会互相抵销。愈多条相位相同、频率不同的波相加时,产生的拍频也就愈短,尖峰的强度也愈大。

  但是,若把不同相位的光线彼此相加,则不会有这样的效果,而只会产生一个带有扰动的连续波。我们每天看到的太阳光,正是各种频率、相位的光线任意混合相加的结果。

  在谈飞秒脉冲之前,先要了解何谓飞秒(femto second, fs)。1 飞秒等于 10-15 秒,若换算成比较容易理解的时间概念,1 秒跟 1 飞秒的比例大约相当于 3 千万年跟 1 秒的比例,也因此飞秒激光又被称为超快激光。

  要让激光产生如此短的脉冲,必须同时符合诸多条件。首先,激光放大器本身要拥有宽频的激光介质,这样它才有办法放大各种频率符合前述公式的激光。目前最新的激光介质是一种叫做“掺钛蓝宝石晶体”的材料,这是在 1988 年才由美国军方解密的材料。由于这个晶体可容纳的频宽相当广泛,在 1.5 公尺长的共振腔中大约可以放大 100 万个等间隔频率的光线,如果这些光线能有相同的相位,干涉效果可以把光波加强成 100 万倍的强度,而脉冲的长度则缩小了 100 万倍。

  其次,要有脉冲压缩机制。激光线在聚焦的过程中,由于光学克尔效应的关系,高强度的光线会更加地增强其效果,但其它低强度的部分则会被额外装置的光圈所阻挡,丧失其效用。在这样的装置之下,激光的高强度部分被放大得比较多,会越来越强,自然就能产生高强度短脉冲的激光。

  最后,要具有腔内色散补偿的功能。大家都知道,在介质中不同波长的光线速度并不相同,折射率也不同,透过三棱镜折射出来的七彩光线就是最明显的例子。光线通过介质时,也会产生不同的折射,但要产生飞秒脉冲,却不允许这些光线各自为政、各走各的路,所以要把这些不同波长的光线经由棱镜的作用补偿它们的光程差,才能达到所需的加强性干涉的效果。

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