超快光纤激光器应用于特殊材料的研究

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。最近，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。

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　　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 beamlines）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最佳的性能。

　　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。

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　　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。记录的最短的脉冲宽度~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。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。

　　在最近的研究中，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，而且是唯一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。

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