物理和化學領域內的多種應用驅動了對于超快放大器的需求。超快放大器可以以更高的重復頻率和平均功率傳遞飛秒脈沖，從而提高信號的信噪比并減少數據采集時間。要在不犧牲脈寬、光束質量、操作簡便性和可靠性的前提下實現這些性能，對研究人員來說是一個巨大的挑戰。通過最近的設計改進，研究人員研制出了一套只需對摻鈦藍寶石增益介質進行熱電冷卻 ，就可使平均輸出功率高達15 W的系統。在此之前，由于可實現同樣輸出功率的超快放大器需要低溫冷卻，因此整個系統不但結構復雜，而且體積龐大。

　　功率要求

　　基于摻鈦藍寶石的鎖模激光振蕩器的出現，為超快激光應用帶來了一場革命，它大大簡化了獲得飛秒脈沖的難度。典型的摻鈦藍寶石振蕩器的平均輸出功率高達2~4W。重復頻率為50~100MHz時，根據脈沖寬度，脈沖能量最多為幾十納焦，峰值功率為500kW。

　　許多應用要求更高的脈沖能量和峰值功率，啁啾脈沖放大可以解決這個問題。振蕩器的輸出脈沖預先通過脈沖選擇裝置被展寬，然后被另外一個摻鈦藍寶石晶體放大幾個數量級，將脈沖寬度壓縮到初始脈沖寬度那樣窄。

　　針對固體物理和光化學領域的泵浦-探針研究，可使用放大的飛秒脈沖泵浦一個或多個可調諧的光學參量放大器（OPA）。還可以在成像和光譜學研究中，利用其生成太赫茲脈沖。最近，具有載波包絡相位（CEP）穩定性的放大系統實現了極紫外線（4~30nm）波長的阿秒脈沖。阿秒脈沖的波長非常短，足以用于研究原子和分子中電子的動態。

　　很多這類應用會包含一個或多個串聯或并聯的非線性轉換級（參量轉換或其他效應），但轉換效率通常比較低。增加放大器每個脈沖的輸出能量，可以有效地同時驅動多個高能量非線性級。

　　熱透鏡效應

　　阻礙超快放大器系統輸出更高功率的最大障礙是增益晶體中的熱透鏡效應。即使采用激光泵浦，超過75％的泵浦功率會被轉換成熱量。端面泵浦摻鈦藍寶石棒可以使泵浦功率沿徑向分布，而最大泵浦功率強度位于增益介質的中心線上。摻鈦藍寶石晶體中的局域熱量分布與泵浦光強度的分布一致，并且沿晶體表面向內實現冷卻溫度的傳導，最終導致徑向熱梯度垂直于激光束方向（見圖1）。即使泵浦光的功率只有10W，光束腰只有50μm，也可以產生超過50屈光度的熱透鏡。如果采用40W以上的激光脈沖泵浦，熱透鏡效應將成為設計時所面臨的最大挑戰。

 
圖1：利用圓形光束端面泵浦摻鈦藍寶石激光棒可以產生徑向熱梯度，產生的效果和球面鏡相當

　　可以采用幾種方法冷卻摻鈦藍寶石晶體，從而降低熱透鏡效應的強度。然而不幸的是，這些方法的冷卻效果與其成本和復雜性成正比。被動傳導冷卻是最簡單的方法，其次是水冷。這兩種方法在輸出功率為3~4W時有效。在更高性能的放大器系統中，通常采用熱電冷卻器為摻鈦藍寶石晶體降溫，但直到最近，這一方法能適用的最大平均功率也只有7~8 W。

　　最終的方法是采用低溫冷卻技術。在低溫條件下，摻鈦藍寶石的導熱性增加了約40倍，折射率對溫度的依賴性下降了一個數量級。這兩種效應所帶來的最終結果是將溫度為330K的摻鈦藍寶石和溫度降至77K的摻鈦藍寶石之間的熱透鏡效應降低約400倍。到目前為止，輸出功率為幾瓦的放大器均采用低溫制冷，其缺點是成本較高、系統較復雜。

　　15W的系統

　　利用多種技術制成一個15W的放大器，該放大器具有和3~4W級系統相同的簡易性和光束質量。

　　研究人員采用復合型方案確保再生放大器的光束質量，該方案無需低溫冷卻，從而降低了系統的成本和復雜性。在該方案中，Coherent公司的Legend Duo HP在同一盒體中先后放置了正反饋放大器和單程放大級，為兩塊摻鈦藍寶石晶體提供熱電冷卻。

　　這種方法和傳統的多程放大技術是有區別的。在多程放大系統中，輸入脈沖通過晶體約10到15次，每次通過的角度會有輕微的不同，但會與泵浦光束部分重疊。因此多程放大系統不但光學結構復雜，而且輸出光束質量也比種子光差。相比之下，再生放大器是一種高增益激光腔，種子激光脈沖在腔中多次往返的過程中被放大，當達到增益飽和時就從腔中輸出（見圖2）。放大器的輸出光束特性其主要取決于單腔的設計，與種子激光器無關，因此可以產生近乎完美的TEM00模，具有穩定的執行特性，適用于下游的非線性生成過程。額外的單程功率放大器結構簡單，同時可以保持再生放大器的輸出光束質量。

 
圖2：在再生放大器中，注入的脈沖多次通過放大器腔，然后通過一個聲光開關輸出

　　利用位于兩塊摻鈦藍寶石晶體之間的集成的泵浦激光器分束器，該單程再生放大器在頻率為1kHz時，輸出功率超過8W，在頻率為5kHz時，輸出功率超過12.5W。由于含有高泵浦功率，因此很難忽視熱透鏡效應。但是通過對晶體進行優化設計，采用特殊形狀的較平坦的大尺寸晶體代替傳統的圓柱型激光棒，可以將低熱透鏡效應降低到可以控制的水平。然后，熱電冷卻器通過扁平型表面對晶體進行冷卻。

 
圖3：使用單程放大器（SPA）提高再生放大器的輸出功率，盡管光束通過兩次，但由于只經歷一次熱畸變，因此光束質量獲得了極大的提高。

　　為了將再生放大器的輸出功率提高到15W，研究人員增加了一個外部泵浦激光器。該單程的再生放大器的光學結構無本質上的變化，但在重復頻率為1kHz、5kHz和10kHz時，輸出功率分別提高到15W、10W和12W。采用一個或兩個泵浦激光器，其單程的末端放大器級并不影響光束方向和TEM00光束的形狀，這是再生放大器的主要特點。實驗結果表明，復合型方案是最佳的方案（見圖3）。當光束通過的次數從1次增加到2次時，超快放大器的輸出功率穩步增加了約20％，但是光束的M2值增加了近100％。在單程裝置中保持較低的M2值，該放大器兼具光學光學結構簡單、輸出效率高的特點；同時具有理想的光束參數特性，可將其聚焦于空心光纖內徑中或者泵浦多個高能量OPA；此外，它還消除了對復雜的低溫冷卻系統的需求（見圖4）。

圖4：高光束質量可以使參量放大、諧波產生、連續光譜產生等非線性過程實現更高的效率和光束質量。當放大的脈沖聚焦到一塊藍寶石板（或空心光纖）上時，級聯非線性效應可以產生超連續光譜。該圖為超連續光通過自然衍射的色散圖。

　　通常，根據單個脈沖能量、重復頻率和光束質量等參數選擇超快放大器。隨著實驗復雜程度的提高，超快放大器的可靠性和易用性變得越來越重要。對超快放大器設計的進一步改進有忘提高其靈活性和性能，從而使得結構和操作變得更加簡單。(作者：Steve Butcher， Marco Arrigoni ，Coherent公司 )