【仪器使用技巧】钛宝石多通放大器FemtoPower详解
2015年，美国Newport公司收购奥地利公司Femtolasers（以下简称Femto）是超快激光行业的一大新闻，自此以后，超快激光界，尤其在阿秒科学领域缺失了一支强大的激光队伍。钛宝石超快激光市场继续被相干和光谱物理两家公司垄断。而美国的KMLabs、俄罗斯的Avesta以及国内的一些公司虽具备一定技术能力，但市场占有率极低，预计短期内，钛宝石的市场分配应该不会有太大的改变。
回归主题，Femto公司的中坚技术力量是否还继续存在于母公司？对此我们不得而知，只是光谱物理公司网站上只能看到少有的几款Femto钛宝石超快振荡器，而其曾负盛名的钛宝石放大系统-FemtoPower却不见了踪影，小憾。该系统是笔者调节和拆卸过最复杂的激光器，在此详细介绍一下此系统的基本原理和设计技巧。
图1：Femtopower外观图
一．基本原理
FemtoPower是典型的啁啾脉冲钛宝石放大系统，可以将此系统拆分为种子源、展宽器、放大器和压缩器来理解整个系统的基本原理【1】。此外该系统还拥有CEP稳定和Hollow-core fiber 脉冲非线性压缩等选项。
1. 种子源和展宽器
图2：振荡器、DAZZLER和材料展宽器
该激光系统的种子源是一台亚10飞秒的振荡器，超宽的光谱范围为后续得到较窄的脉冲宽度奠定了基础，并且也为使用差频的办法锁定CEP提供了足够的带宽。该振荡器是Femto公司的拳头产品，目前还存活于光谱物理的产品线中。
不同于其他公司复杂的基于光栅的脉冲展宽器，旧版本的FemtoPower使用非常紧凑的块材料展宽器，展宽后的脉冲宽度大约为10ps，这样的脉冲宽度足以降低mJ量级放大器中的非线性效应，新版本的放大系统加入了色散补偿神器-Dazzler,使得最终的脉冲时间质量得到进一步提高，Dazzler的使用也进一步改良了脉冲压缩器，下文将详细阐述。
2. 多通放大器
Femto的放大器设计早先是9通的设计，之后升级到了10通，并具有高能量多级放大的选项，本文只对10通放大器进行详细说明。
不同于相干公司和光谱物理公司的典型再生放大器设计，FemtoPower采用共焦多通放大的方案，利用凹面镜的基本原理：平行凹面镜轴心的光线均会聚于焦点，在焦点处放置钛宝石晶体并调节泵浦光焦点于此处，实现泵浦和被放大光的空间耦合，具体光路参考图3。经过块材料展宽后的脉冲入射到共焦腔内，不经过选单之间进行MHz重复频率的放大。四通放大以后脉冲得到上千倍的增益，然后经过普克尔盒系统降频到kHz量级，再注入到共焦腔中再进行6通放大。此处的疑问是：如何实现在这么小的空间内进行10次放大。释疑如下：
(1) 前四通：下图是一个俯视图，如从侧面看，光斑在第一个凹面镜、钛宝石和第二个凹面镜上的高度是不一样的。由于光斑很小，使用1.5英寸和1英寸的镜子就可以将10个光斑收纳其中。
(2) 5-8通：光斑的高度正好和前四通是相反的，并且是对称关系。
(3) 9-10通：将光高调整至前面八通的对称分界线位置，进行两次放大，最后饱和输出。如下图，为预防放大光过早达到饱和状态，将光斑进行缩束，从而得到更大的聚焦光斑。
此处的疑问点是上文中提到的Dazzler在什么地方呢？初期的版本是没有Dazzler的，新版本（或者叫做绝版）将Dazzler放在普克尔盒的后方，对降频后的kHz脉冲进行整形。
图3：FemtoPower放大器设计
3. 脉冲压缩器
图4脉冲压缩器。（左）旧版本，（右）新版本
FemtoPower旧版本的脉冲压缩器使用双棱镜对的方案【2】，因为棱镜对的二阶和三阶色散可以和材料的色散匹配，所以可得到压缩质量良好的脉冲，但是缺点也很明显：棱镜所引入的色散量非常小，这就需要非常长的空间距离，反而造成了整个系统的庞大。新版本采用了透射光栅的办法，但光栅对的三阶色散和材料的三阶色散是同符号的，不可能匹配，所以这就需要Dazzler来解决此问题，使用高分辨率的Dazzler，加载超高的三阶正色散，问题迎刃而解！
透射光栅的缺点是会引入非线性，这个问题可以通过在压缩器后方放置高色散量的啁啾镜来解决，啁啾镜拉长了在光栅上的脉冲宽度，B积分减小。
二．设计技巧
总结一下该激光器在设计上的多种精妙技巧：
1. 对比度提高：首先，前四通使用MHz放大，让密密麻麻的脉冲阻挡ASE对上能级粒子数的侵蚀。其次，使用几乎没有损耗的块材料展宽器，提高种子光的单脉冲能量，进一步抑制了ASE。
2. 色散管理：新版本摒弃了棱镜压缩器，用Dazzler和透射光栅取而代之，大大提高了系统的稳定性和脉冲宽度可控制性。
3. 利用凹面镜的基本原理实现了10通放大，并通过光束的变换抑制了放大的饱和效应。
4. 多通放大保证了CEP锁定的可能性，目前再生放大还不可以匹敌多通放大的CEP优势。Femto发展了独特的CEP锁定方案，具体参考Nature Photonics的文章【3】。
5. 使用此激光系统作为驱动源，配合充气的Hollow-core fiber将脉冲压缩器到周期量级。
图5 周期量级脉冲产生装置
波量科技的核心技术人员已经使用和拆装过不下10套Femto的振荡器和放大器，在FemtoPower激光系统运行维护和拆分重组方面，具备丰富的理论基础和技术实战经验。因此，作为读者的你，如果正好使用此激光系统，若遇有故障，欢迎联系我们，讨论解决方案，for free！
参考文献：
【1】S. Sartania, Z. Cheng, M. Lenzner, G. Tempea, Ch. Spielmann, F. Krausz, and K. Ferencz, "Generation of 0.1-TW 5-fs optical pulses at a 1-kHz repetition rate," Opt. Lett. 22, 1562-1564 (1997)
【2】Z. Cheng, F. Krausz, Ch. Spielmann, “Compression of 2 mJ kilohertz laser pulses to 17.5 fs by pairing double-prism compressor: analysis and performance, Compression of 2 mJ kilohertz laser pulses to 17.5 fs by pairing double-prism compressor: analysis and performance,”Optics Communications, Volume 201, Issues 1–3, 2002, Pages 145-155
【3】S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, and G. Steinmeyer, “Direct frequency comb synthesis with arbitrary offset and shot-noise-limited phase noise,” Nat. Photonics 4, 462–465 (2010).
