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對(duì)于飛秒和阿秒激光而言，一些人會(huì)說，激光脈沖能量越高越好。然而，許多研究人員都遇到過這種令人煩惱的情況：當(dāng)激光脈沖能量很高的時(shí)候，電源就會(huì)報(bào)警，但測得的信號(hào)仍然很微弱。所以，在條件允許的情況下，追求高脈沖能量確實(shí)是一種選擇；但是考慮到近年來激光技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，一味追求高脈沖能量，真的是一種明智的選擇嗎？

對(duì)于某些應(yīng)用而言，確實(shí)需要高脈沖能量，例如真空極化、核聚變，或者二次輻射產(chǎn)生。因此只要條件允許，可以購買高脈沖能量的激光器。

然而，在許多研究領(lǐng)域，僅僅追求高脈沖能量往往弊大于利。而將能量分散到多個(gè)脈沖上，提高重復(fù)頻率，可以獲得相同或更高的平均功率。本文主要介紹一些應(yīng)用選擇平均功率高、單脈沖能量中等的高能激光系統(tǒng)的原因。

原因一：輸出穩(wěn)定性高

過去10年或20年里出現(xiàn)的固態(tài)飛秒激光系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于上世紀(jì)末開發(fā)的第一個(gè)啁啾脈沖放大（CPA）系統(tǒng)。現(xiàn)在的飛秒激光器輸出功率為幾十瓦，單脈沖能量約為1mJ，重復(fù)頻率從單脈沖可以到幾兆赫茲。由半導(dǎo)體激光陣列泵浦，加上巧妙的光學(xué)設(shè)計(jì)，典型的Yb:KGW CPA激光系統(tǒng)擁有卓越的穩(wěn)定性能。緊湊型設(shè)計(jì)使其占地面積小，同時(shí)也降低了對(duì)機(jī)械振動(dòng)的敏感性，水冷外殼設(shè)計(jì)降低了環(huán)境溫度變化帶來的影響。

■重復(fù)頻率為200kHz、最大輸出功率為20W的飛秒激光器，具有很高的功率和能量穩(wěn)定性。激光器連續(xù)工作12小時(shí)其功率均方根差為0.15%，因此其功率波動(dòng)曲線幾乎就是一條水平線（a）（b）。激光器10分鐘工作時(shí)段內(nèi)脈沖的能量穩(wěn)定性更好，均方根差可達(dá)0.07%（c）

飛秒激光器的泵浦能量并不是由單個(gè)半導(dǎo)體激光器提供的，而是由幾十個(gè)半導(dǎo)體激光器組成的陣列提供的，因此每個(gè)半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)泵浦光的穩(wěn)定性影響較小。最為重要的是，隨著激光重復(fù)頻率的增加，當(dāng)相鄰脈沖的時(shí)間間隔小于激活介質(zhì)的激光躍遷壽命時(shí)（Yb: KGW增益介質(zhì)的激光躍遷壽命為600μs，對(duì)應(yīng)的重復(fù)頻率為1·6kHz），激光增益介質(zhì)開始作為一個(gè)低通濾波器，能夠消除由泵浦光引起的不穩(wěn)定性。因此，高重復(fù)頻率的激光系統(tǒng)具有很高的功率和能量穩(wěn)定性。

原因二：多數(shù)實(shí)驗(yàn)需要多脈沖

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量一般需要求平均值。如果這些信號(hào)光子是以巨大但不頻繁的爆炸形式出現(xiàn)，或以小水滴的形式一個(gè)接一個(gè)地撞擊探測器，都不會(huì)影響測量結(jié)果。例如，在測試時(shí)間內(nèi)（1s），收集了同樣數(shù)量的光子，最終的結(jié)果（其他因素相同）也就相同。

■重復(fù)頻率100kHz、單脈沖能量400μJ的Yb:KGW激光誘導(dǎo)空氣擊穿。（黃色箭頭指示的小亮點(diǎn)代表空氣擊穿位置；背景屏幕上的大白點(diǎn)是在空氣中產(chǎn)生的白光超連續(xù)譜）

當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)測量往往并非如此簡單。信號(hào)測量可能有一個(gè)能量閾值，除非信號(hào)光能夠超過閾值，否則測量將受到影響。高重復(fù)頻率的飛秒激光能量能夠達(dá)到1mJ甚至更高，這是20年前鈦寶石CPA飛秒激光系統(tǒng)的典型輸出能量。如此高能量的激光脈沖在緊聚焦時(shí)，足以在空氣中產(chǎn)生等離子體。因此，一臺(tái)Yb:KGW CPA飛秒激光系統(tǒng)相當(dāng)于由10-50個(gè)鈦寶石激光系統(tǒng)組成，而每一個(gè)子激光系統(tǒng)都比舊系統(tǒng)穩(wěn)定10倍以上。

原因三：多數(shù)實(shí)驗(yàn)并不需要使用所有可用的脈沖能量

選擇高重復(fù)頻率激光系統(tǒng)的最大原因是：在大多數(shù)情況下，實(shí)驗(yàn)條件并不允許人們使用所有可用的脈沖能量。