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超快光纤激光器应用于特殊材料研究
超快光纤激光器应用于特殊材料研究--原文下载http://file.yizimg.com/15397/2012.pdf

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Calmar Laser- Ultrafast Fiber Laser 中国代理www.skyrayoe.com
 Optical fiber amplifier
 Actively mode-locked picoseconds fiber laser system
 High pulse energy fiber laser based chirped pulse amplification
 Passively mode-locked femtosecond fiber laser module and system
 Advanced products including a bit rate mulitiplier,an electrical pulse
generator, a pulse compressor and a second harmonic generator
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超快光纤激光器应用于特殊材料研究
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http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=50304
( 美国有名学术杂志Photonics Spectra ，2012 年3 月发表的技术文章)
Calmar 公司Tony Lin 博士(http://www.calmarlaser.com )
尽管超快光纤激光技术也许是*终使新兴的工业超快激光市场充分发挥其潜力的催化剂，
研究人员仍然对这种**科学技术非常振奋。
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光纤激光技术的发展不仅仅局限于工业激光制造业：更跨足切割、焊接和材料加工等光纤
激光器应用的多样性。健全的内部设计结构和基于光纤架构的低维护成本，再加上出色的
性能参数，如超短脉冲宽度，更高的脉冲能量，灵活可变的重复频率，更宽的波长范围和
相位锁定，更能满足多用户对激光光源设施扩展功能的**与研究。
在过去几年内，光纤激光器已经使得市场需求递增，现在市场占有率超过整个非二极管激
光部分的10%。虽然大部分的市场渗透率一直局限于工业制造业，光纤激光器在一键式可
靠性，固有的稳定性和方便操作的优势，呼吁更广泛的应用客户群。
北京迅天宇光电科技有限公司
Skyray Opto-Electronic Technologies, Ltd.
北京市海淀区西四环北路15 号依斯特大厦212 室
电话： 传真：
邮箱：messages@skyrayoe.com
通过新的应用与传统激光器市场的占有率对比，光纤激光器的市场进一步提升是有可能的。
研究人员也正在使超快光纤激光技术应用在多用户应用上，如斯坦福SLAC 国家加速器实
验室(National Accelerator Laboratory in Stanford)和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）
(Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley)，他们都在加利福尼亚州。同步加速器
和自由电子激光器（FELs）的发展，给研究者提供了通往更亮、更短的X 射线源。多年来，
斯坦福同步辐射光源（SSRL）提供X 射线脉冲，研究材料的分子和晶体结构。*近，一个
“低-α 模式”的研发，X 射线脉冲可达到1 ps。
同时，在斯坦福直线加速器中心（SLAC）的直线加速器相干光源(LCLS)提供亚百飞秒脉冲，
在波长短至0.15nm 时大约1012 个X 射线光子。这些超快稳固的X 射线脉冲，同时具有高
的空间和时间的连贯性，使新的科学领域的研究从3-D 成像和重要的生物分子动力学研究
到表征物质的瞬时状态研究。
在同步加速器和自由电子激光器（FELs）里，能量是通过电子束在一变化的磁场中传递得
到的。电子行进路线受变换极性的磁体阵列影响，来回弯曲，导致以光的形式释放能量。
就同步加速器而言，激光是空间不连续的，典型脉冲是100fs，但是自由电子激光器（FELs）
发射出强烈的空间相干光光束，脉宽短至几十飞秒。为了工作在稳定的X 射线波长，电子
束必须紧束，以便他们与释放出来的光相互相干（有效地实现受激辐射）。
因为自由电子激光器FEL 没有谐振腔并且是一个单通的设备，需要一束非常明亮的激光束
来达到增益饱和状态。有时这是通过使用传统的超快激光源（如的Nd：YLF 或掺钛蓝宝石），
激发在加速的射频区域中的光电阴极，充当电子注射器来实现的。通过超快激光锁定到主
时钟得到同步信号。主时钟正在控制直线性加速器。
图1. 同步器原理图/结构简图
另外，世界各地的一些同步加速器，使用传统的超快光源，时间分辨束线（time-resolved beam
lines）已经被开发，实现泵浦探测-研究。然而，对于这每一个结构，一个重大的缺陷是：
传统的固态超快放大器通常消耗巨大的光学平台，并需要日常维护保证它*佳的性能。
斯坦福大学教授亚伦林登贝格（Aaron Lindenberg）在斯坦福同步辐射实验室使用Calmar
公司Cazadero 系列的一键式超快光纤激光器克服了这个问题。设计应用在OEM 医疗和微
电子加工，激光器结构紧凑，体积小，设置简单，方便安装，便于调整光束。此外，它的
高脉冲能量（高达20uJ <500fs）和高重频发挥了斯坦福同步辐射实验室的优势。实现了一
个良好的信噪比（time-resolved）的时间分辨的研究。
图2. 互相关cross-correlation 信号同步发生器脉冲宽度
在林登贝格的初步实验中，工作频率在1.28MHz 的超快光纤激光器，已经成功被锁相到同
步加速器476MHz 射频信号上（如图1），定时抖动时间小于1ps，而且直接被用于测量X
射线脉宽。图2 显示在脉冲X 射线模式下同步脉冲的直接测量结果。实验是由激光器锁相
的1030nm 输出光通过自相关产生的500nm 可见光进入硼酸钡晶体，检测的混频信号在
340nm。记录的*短的脉冲宽度~3ps。
光学的同步性和X 射线脉冲保证一项特殊的泵浦探测实验（如图3）���光纤激光系统输出的
高能量脉冲泵浦或者激发，诱导出一种物理或光化学转化。这样的变化接着在原子量级被
同步加速器的X 射线脉冲探测到。通过不同脉冲探测的到达时间，这个动态过程可以作为
发生在原子量级结构变化X 射线影像。该方法正被用于对纳米系统激发态动力学获得一个
更好的理解中，也是从他们相应的散装结构中区分出来的方法。
图3. X 射线测角器，在中心，一个样品同时被X 射线和CAZADERO 激光系统二次倍频光（515nm）照
亮。
在*近的研究中，林登贝格研究小组使用这个激光光源于纳米晶体硒化银系统，成功通过
X 射线捕获到发生在在超快时间内的结构变化。虽然这些初步的研究是非常令人鼓舞，为
了进一步提高信噪比的水平，提高探测器和样品输送系统现在正在开发当中。未来的研究
将有望深入到发展独特的催化剂和更高效的光伏材料。
在劳伦斯伯克利国家实验室，Cazadero 也被选为保证名为“下一代光源的”的光源的发展。
在这种情况下，激光器再一次相位锁定，但是用来照射阴极产生电子束，被加速到高能量
射频腔。这个系统已经作为下一代光源的电子注射器正在被开发。
下一代光源是一个自由电子激光器，产生X 射线到千电子伏特能量级，而且是**的工作
在兆赫兹重复频率。随阴极材料的选择，激光器将工作在基本波长1030nm，二次谐波
515nm，或者四次谐波257.5nm。“选择阴极激光系统对于用于支持用户设备的机器的设计
是至关重要的” 劳伦斯伯克利先进光源实验组系统领导Howard Padmore 说，“我们不能容
忍任何人干预对每日的基础，Cazadero 是一个提供可重复的，操作稳定的，一个简单的打
开/关闭开关的独特的系统。另外，它对不同类型的阴极以及频率锁定，提供了所有关键技
术指标如平均功率，重复频率和脉冲宽度。”
下一代光源的高重复频率，高亮度的X 射线源，确保动力学的影视成像，多种多样系统结
构的测定，和开发新型非线性X 射线光谱。
北京迅天宇光电科技有限公司
www.skyrayoe.com 转808 messages@skyrayoe.com
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