什么是钛蓝宝石激光器（Ti:Sapphire Lasers）？

钛蓝宝石激光器简介

钛蓝宝石激光器（Ti:Al₂O₃激光器）是一种高效的可调谐固态激光器，在650至1180纳米的可见光和近红外区域发光。这种激光器由Peter Moulton于1982年在麻省理工学院林肯实验室首次演示。掺有Ti³⁺离子的蓝宝石晶体作为这些激光器的活性介质。主体材料中钛离子的数量为0.1%，它们取代了晶体中的铝原子。该激光器采用了波长范围为514至532纳米的光学泵浦。这种激光器在连续模式和脉冲模式下运行。对于连续波操作，氩离子激光器（514.5纳米）被用来泵浦激光器，为了在脉冲模式下操作，使用频率加倍的Nd:YAG、Nd:YLF和Nd:YVO激光器（527-532纳米）。钛蓝宝石激光器在800纳米附近的波长下操作非常有效。由于钛蓝宝石激光器具有出色的模式锁定特性，使其能够非常容易和稳定地产生飞秒脉冲，因此在激光工业中被广泛使用。被动模式锁定方法，通常以克尔透镜模式锁定的形式，被用来从这些激光器中产生超短脉冲。它们主要用于科学研究的应用。

钛蓝宝石激光器的结构

图1：钛蓝宝石激光器的示意图

掺钛的蓝宝石晶体是这种激光器的发光介质。该介质被放置在一个由两个镜子组成的谐振腔中。输出是通过输出耦合镜获得的。为该激光器提供了光学泵浦。选择性地选择所需波长的衍射光栅被用于波长调谐，或者安装在腔内的双折射滤波器或棱镜以布鲁斯特角旋转来调谐波长。图1代表了钛蓝宝石激光器的基本结构。

图2：连续波Ti:蓝宝石X折配置

连续波Ti:Al₂O₃激光器采用X型腔设计，包含一个散光补偿腔的激光晶体。根据掺杂水平的不同，这种腔体设计中的晶体通常有2到10毫米的长度，并将其输出面安排在布鲁斯特角。长度较长、掺杂浓度较低的晶体长度与较高的泵浦通量强度一起使用，以获得更高的功率输出。一般来说，连续波氩离子激光器或加倍的Nd:YAG激光器被用作泵浦源。光束从左边进入腔体。波长可以通过旋转安装在腔体中的双折射过滤器来调谐，其角度为布鲁斯特角。图2显示了连续波钛蓝宝石 X折叠配置。

图3：飞秒模式锁定的钛蓝宝石激光器

改良版的腔体被用来产生模式锁定脉冲。它包含两个棱镜用于腔内色散补偿，并使用克尔透镜锁模（KLM）技术。通过被称为光学克尔效应的非线性光学过程对激光器进行模式锁定的方法是克尔透镜模式锁定（KLM）。利用这种技术，有可能产生持续时间短至几飞秒的光脉冲。Ti:Al₂O₃晶体内产生KLM的必要孔径由位于晶体旁边的独立孔径提供，或者简单地由与泵浦光束的小直径相关的孔径效应提供。为了保持这种激光器稳定的锁模输出，镜面和腔体尺寸的极其精确的调整和校准是必不可少的。图3显示了飞秒模式锁定的钛蓝宝石激光器的示意图。

钛：蓝宝石激光器的能级图

图4：钛蓝宝石激光器的能级图

基态²T₂包含一连串重叠的振动或振子级。²E状态是第一个激发态，它向上延伸了一系列重叠的振子级，就像地状态一样。

当激光器被泵浦时，激发从²T₂的最低振动电子级发生到²E激发态的振动电子级。被泵送到这些宽带激发态的振子级的原子或离子将迅速松弛到²E态的最低级别。然后它们通过发射激光辐射衰变回基态的任何一个振子级。当它们到达基态的激发振子级时，会迅速松弛到最低的卧底级。

在高密度的增益介质的情况下，激光的能级排列实际上是一个四级系统。四级系统中的第i级将是²E态的高阶振子级，而第u级将是激光的上层级。原子或离子衰变到基态²T₂的任何一个激发振动级I将引起激光发射。图4显示了钛蓝宝石激光器的能级转换情况。

钛蓝宝石激光器的参数

钛蓝宝石激光器的优点

广泛的波长可调性
高效、可靠
较大的激发发射截面
宽广的增益带宽
饱和能量高
 

钛蓝宝石激光器的劣势

成本高
大而复杂
不适用于工业和移动应用

钛蓝宝石激光器的应用

钛蓝宝石激光器的主要应用是在研究实验室，特别是光谱学。这些激光器由于其广泛的调谐范围，适合于在低波长下产生可调谐的亚二十秒脉冲。NASA的激光雷达大气传感实验使用钛蓝宝石激光器来测量水蒸气和气溶胶及其对大气动力学的影响。为了检查超快时间尺度的化学反应，钛蓝宝石激光系统被使用。太赫兹发电和非线性物理学是蓝宝石激光器被证明是有用的两个领域。

钛蓝宝石激光器在医学领域的应用，如用于破坏癌细胞或病变组织的光动力疗法。多光子显微镜已经成为研究潜在生物现象的顶级非侵入性实验室工具，它依赖于钛蓝宝石激光器。这种技术提供了厚重组织中的高分辨率三维成像，包括体内标本。

它们还被用于激光雷达、测距仪和遥感。钛蓝宝石激光器被用于生产纳米孔和在激光辅助下将外源物质微注射到活细胞中。