激光的頻率與什么有關(guān) 激光的頻率怎么算？很多人不了解，今天各百科為大家?guī)硐嚓P(guān)內(nèi)容，以下是小編為大家?guī)淼慕榻B。

重復(fù)頻率是描述超快激光光源特性的一個重要參數(shù)。一般飛秒振蕩器的重復(fù)頻率是幾十到幾百兆赫(MHz)。更高的重復(fù)率，如千兆赫(GHz)重復(fù)率的飛秒激光，往往意味著更高的采樣率、單縱模功率和更大的模場間距，在很多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

圖1(左)GHz飛秒光頻梳作為天文光譜儀的定標(biāo)光源；(右)超快激光加工時GHz突發(fā)模式的材料燒蝕效率更高：(a)kHz，MHz重復(fù)率(b)GHz重復(fù)率。

從振蕩器直接輸出GHz飛秒激光主要包括三種技術(shù)，諧波鎖模、克爾透鏡鎖模（KLM）和基于可飽和吸收鏡（SESAM）的被動鎖模.諧波鎖模主要用于光纖激光器。它利用孤子分裂使重復(fù)頻率加倍，實現(xiàn)了數(shù)百次諧波的鎖模輸出。重復(fù)頻率可以達(dá)到10 GHz以上。但諧波鎖模脈沖的幅度均勻性較差，時間抖動也較大。SESAM鎖模技術(shù)適用于多種類型的激光器，如光纖激光器、垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VECSEL)、全固態(tài)激光器等。KLM技術(shù)常用于鈦寶石飛秒激光器、摻鐿全固態(tài)飛秒振蕩器等具有固態(tài)增益介質(zhì)的飛秒振蕩器。

除了諧振腔設(shè)計中需要特別考慮的短腔外，高重復(fù)率導(dǎo)致的單脈沖能量低和光學(xué)元件少導(dǎo)致的色散補償困難都是產(chǎn)生GHz飛秒激光的巨大挑戰(zhàn)。即便如此，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，基于SESAM鎖模技術(shù)和KLM技術(shù)的GHz飛秒振蕩器已經(jīng)取得了一系列良好的成果。

SESAM鎖模的GHz飛秒激光器

2008年，富士膠片公司利用SESAM鎖模技術(shù)，在LD泵浦的Yb:KYW激光器中率先獲得重復(fù)頻率2.8 GHz、脈寬162 fs、平均功率680 mW的飛秒激光輸出。此后，U. Keller教授研究組用高功率多模光纖耦合LD泵浦Yb:KGW、Yb:CALGO等晶體，在V形諧振腔、Z形諧振腔和直腔諧振腔中，將重復(fù)頻率從1 GHz逐漸提高到10 GHz。得益于高質(zhì)量SESAM的應(yīng)用和SESAM被動鎖模的特性，平均輸出功率基本在1 W以上，1 GHz重復(fù)率、~100 fs脈寬、1 W平均功率的輸出，單脈沖能量大于1 nJ，峰值功率達(dá)到幾千瓦，足以在光子晶體光纖等非線性器件中產(chǎn)生覆蓋倍頻的超連續(xù)譜，從而實現(xiàn)GHz重復(fù)率的飛秒光頻梳，可應(yīng)用于精密光譜等領(lǐng)域的研究。

以上高重復(fù)頻率飛秒激光實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)在于半導(dǎo)體器件包括SESAM和VECSEL的“量身定做”，而國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與國外還有差距。

克爾透鏡鎖模GHz飛秒激光器

在高重復(fù)頻率方面，KLM激光器多采用四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，對于1 GHz重復(fù)頻率，腔長只有300 mm，只能使用小曲率半徑的凹面鏡，在晶體中形成的激光束腰僅有數(shù)十微米，且瑞利長度很短。因此，GHz重頻的KLM振蕩器需要使用光束質(zhì)量較好的泵浦源，使晶體中的泵浦光和激光模式形成良好的模式匹配以確保高效率的激光輸出。同時，由于瑞利長度和色散補償元件數(shù)量的限制，GHz重頻的KLM振蕩器一般使用長度較短的激光晶體（~2 mm），因此希望增益介質(zhì)具有較高的非線性折射率。

目前發(fā)展成熟的GHz固態(tài)光學(xué)頻率梳仍由鈦寶石激光器主導(dǎo)，并且具有極低的相位噪聲，在眾多領(lǐng)域得以應(yīng)用，Menlo Systems公司和Laser Quantum公司均有相應(yīng)的GHz鈦寶石光學(xué)頻率梳系統(tǒng)產(chǎn)品。但是，受限于泵浦源的昂貴成本，GHz鈦寶石飛秒振蕩器及相應(yīng)的光學(xué)頻率梳產(chǎn)品價格始終居高不下。

此后，日本東京大學(xué)Y. Kobayashi教授課題組采用相同的四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)和泵浦方式，將激光晶體由Yb:KYW更換為非線性系數(shù)更高的Yb:Lu2O3和Yb:Y2O3，先后報道了重復(fù)頻率3.3 GHz、4.6 GHz、6 GHz以及15 GHz的KLM結(jié)果。

圖2 （a）15 GHz四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)；（b）23.8 GHz三元件線性腔結(jié)構(gòu)<3>

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如圖3所示，基于KLM技術(shù)和SESAM被動鎖模技術(shù)的GHz重頻飛秒振蕩器已獲得長足發(fā)展。其中KLM鈦寶石飛秒激光器最高重復(fù)頻率已達(dá)到10 GHz，平均功率約為1 W；基于SESAM鎖模的全固態(tài)摻Y(jié)b飛秒激光器最高重復(fù)頻率也是10 GHz，不同重頻下平均功率有所不同，最高功率約為5 W；LD泵浦的KLM全固態(tài)摻Y(jié)b飛秒激光器的最高重復(fù)頻率達(dá)到23 GHz，但平均輸出功率普遍被限制在100 mW以下，并且由于腔內(nèi)克爾效應(yīng)有限，很難實現(xiàn)小于100 fs的短脈寬輸出。

圖3 GHz重頻SESAM鎖模和KLM飛秒激光器總結(jié)

2019年，借鑒國際上報道的先進(jìn)工作，選用非線性折射率較高的Yb:KGW（2×10-15 cm2/W）晶體，使用最大輸出功率830 mW、波長979.5 nm的單模光纖耦合LD進(jìn)行泵浦，實現(xiàn)了重復(fù)頻率1 GHz、平均輸出功率151 mW、脈沖寬度249 fs的KLM運轉(zhuǎn)。

單模光纖激光器可以提供大約10 W的泵浦功率，但依舊存在價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，目前由光纖激光器泵浦的摻鐿全固態(tài)激光器平均輸出功率最高只有3 W。因此，能否發(fā)展成本低廉的商用LD直接泵浦的瓦級高功率全固態(tài)GHz飛秒激光器是非常值得深入研究的內(nèi)容。近期，研究團隊使用多模光纖耦合的高功率LD作為泵浦源，實現(xiàn)了重復(fù)頻率1.6 GHz、平均功率大于3 W的克爾透鏡鎖模輸出。

作者及課題組簡介

田文龍：副教授，2016年獲工學(xué)博士。主要研究方向包括高功率、大能量飛秒激光產(chǎn)生技術(shù)，寬調(diào)諧非線性頻率變換以及太赫茲脈沖產(chǎn)生技術(shù)等。

西安電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院超快激光技術(shù)與應(yīng)用研究中心致力于超強超快飛秒激光技術(shù)及其先進(jìn)應(yīng)用技術(shù)的相關(guān)研究，目前有專職科研人員7人，在讀博士碩士研究生近40人。主要研究方向有：新型全固態(tài)超短脈沖激光技術(shù)、超短脈沖激光頻率變換與擴展、高功率飛秒激光技術(shù)、飛秒激光放大技術(shù)、THz技術(shù)、阿秒科學(xué)、超快中紅外激光、窄線寬激光、精密激光光譜技術(shù)等，在高功率全固態(tài)飛秒激光技術(shù)和激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)等方面形成了鮮明的特色。研究組以超快激光的前沿應(yīng)用為導(dǎo)向，超快激光技術(shù)與儀器的創(chuàng)新研究為目標(biāo)，建立了針對基礎(chǔ)前沿、信息技術(shù)、精細(xì)加工、國防安全等應(yīng)用研究的先進(jìn)研究平臺，服務(wù)西北、輻射全國，努力成為國際同行領(lǐng)域有一定影響的團隊。

參考文獻(xiàn)

<2> B. W. Tilma, M. Mangold, C. A. Zaugg, S. M. Link, D. Waldburger, A. Klenner, A. S. Mayer, E. Gini, M. Golling, U. Keller. Recent advances in ultrafast semiconductor disk lasers. Light Sci. Appl. 4, e310 (2015).

<4> L. Zheng, W. L. Tian, H. Liu, G. Y. Wang, C. Bai, R. Xu, D. C. Zhang, H. N. Han, J. F. Zhu, Z. Y. Wei. 2-GHz watt-level Kerr-lens mode-locked Yb:KGW laser. Opt. Express 29, 12950-12957 (2021).