飞秒激光器怎么选择？光纤激光器与固态激光器的深度比较
在当今的科技前沿，飞秒激光器的应用日益增多，它们在精密制造、科学研究、医疗技术等领域扮演着至关重要的角色。在脉冲激光的发展道路上，追求更快（更短的脉冲宽度），更高（更高的平均功率），更强（更强的峰值功率密度）一直是研究者们永恒的主题。随着技术的发展，市场上出现了多种类型的飞秒激光器，其中高能量高功率的飞秒激光器尤为突出。这些激光器大多基于啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification， CPA）技术，CPA技术是一种用于提高脉冲激光峰值功率的先进技术。在这种技术中，脉冲首先被展宽（啁啾），降低其峰值强度，然后放大，最后通过压缩回到短脉冲，以此来避免在放大过程中对增益介质造成损伤。
【激光技术分享】超快放大技术知多少？http://www.wavequanta.com/news/desc/id/6.html
目前市场上的主流工业/科研用高能量飞秒激光器主要分为两类：全光纤结构的飞秒激光器和基于块状晶体、板条、碟片三种不同增益介质的飞秒固体激光器。这两种激光器在设计、性能、应用及成本效益等方面各有特点。全光纤结构激光器以其集成性和稳定性以较低的技术门槛在某些应用领域中占据优势，而固体激光器则以其兼具高能量和高功率以及干净的脉冲质量能力在高端应用中表现出色。
本文旨在对基于CPA技术的高能量飞秒光纤激光器和固体激光器进行深入的比较分析，以帮助科研人员、工程师以及技术爱好者在众多选项中做出最适合自己应用需求的选择。
基于CPA（啁啾脉冲放大）技术的飞秒光纤激光器和飞秒固体激光器在设计、性能和应用方面存在一些关键区别
飞秒光纤激光器
MOPA&Coherent Beam Combination
图1所示。光纤激光器的三种结构示意图。(a)基于fp -光纤腔的光纤激光振荡器;(b)基于MOPA结构的光纤激光放大器;(c) OAIFL(oscillating-amplifying integrated fiber laser)
飞秒光纤激光器使用掺杂有稀土元素（如掺铒或掺镱的）光纤作为增益介质，这些掺杂元素的能级结构使得它们能有效地放大经过的光脉冲。
原理上光纤激光器的放大过程是：①当啁啾脉冲通过掺杂光纤时，光纤中的稀土离子被外部泵浦光激发，产生了所需的能量级跃迁。②光脉冲与这些激发态的离子相互作用，导致能量从离子转移到光脉冲上，从而实现放大。
这一过程通常涉及精心设计的光纤长度和掺杂水平，以优化放大效果并控制脉冲的色散和非线性效应，但由于长光纤（10m量级）的高非线性，CPA只能在相对低的脉冲能量下实现，因此基于光纤的CPA系统更适合于高脉冲重复率和低脉冲能量的高平均功率的情况。这种系统中的光纤应该具有以下特点：单位长度的高增益，保偏（强双折射）等。【1】科普：什么是啁啾脉冲放大 (qq.com)
市面上比较主流的光纤飞秒性能参数：脉宽：<300fs；能量：<50μJ；典型功率：20-50W。这类激光器以其全光纤结构在系统稳定性和维护方面表现优异。脉宽较短，适用于需要高精度和高质量光束的应用，如精密加工和生物医学成像。其能量水平适中，更适合于低至中等能量需求的场景。
飞秒固体激光器（再生放大）
固体（再生放大）类型飞秒激光器以其高能量输出和较短脉宽著称，通常采用块状晶体（如Ti:sapphire或YbKGW）作为增益介质。这些晶体在适当泵浦光的激发下能有效放大通过的光脉冲并保短脉冲所需要的波长带宽。
放大原理：脉冲首先进入再生腔，这是一个精密设计的光学装置，能够多次反射脉冲，使其在增益介质中往返多次。每次脉冲通过增益介质时，晶体中的离子被外部泵浦光激发，产生增益。脉冲在每次通过晶体时吸收能量，逐渐增强。这种结构设计使得激光在增益介质中多次往返，利用固体增益介质的特性来放大啁啾脉冲，直到达到所需的能量水平。
这种类型的激光器通常具有高峰值功率和能量稳定性，市场典型的性能参数是：脉宽：<250fs；单脉冲能量：400-2000μJ ；典型功率范围：20-40W。基本从各个性能指标上来说都要更优于光纤类型，另外还有一个比较隐性且极其重要的的指标脉冲质量（脉冲对比度）。
在飞秒光纤激光器中，由于光纤的较长的传输路径和高光强，非线性效应（如自相位调制、四波混频和刺激拉曼散射）会显著影响脉冲的传输和放大。自相位调制（SPM）是一个关键的非线性效应，它导致脉冲频谱展宽，并可能引起脉冲形状的变化。这些非线性效应会导致脉冲的时间和频谱特性发生变化，从而影响脉冲的质量。频谱展宽会增加脉冲的底座，降低脉冲的峰值功率和对比度。在极端情况下，非线性效应甚至可能导致脉冲破裂或光学损伤。脉冲质量（脉冲对比度）这个指标做精密加工的人士会比较关注，他直接影响了靶点处的功率密度，进而影响加工质量。
光纤固体对比图
相比之下，固体拥有远超光纤类型的脉冲质量（脉冲对比度），主要是由于在固体激光器中，虽然非线性效应同样存在，但它们的影响与光纤激光器有本质的不同。固体激光器通常在较短光程（cm量级）的增益介质中工作，同时相比于光纤（10μm）的极小芯径，固体激光的工作腔模在百μm乃至mm量级，这就从原理上极大限制了非线性效应累积的程度，因此具有干净的脉冲质量。
固体类型飞秒激光器虽然在制造上的成本相对较高，对环境的依赖性也较高，但和光纤从物理原理的角度上无法避免的劣势不同，固体激光器可以通过持续的技术方案改进，完全可以达到甚至超过光纤激光器对环境的要求水平（Pharos和碟片）。
除此之外还有以下几种常见的飞秒激光器类型：
飞秒固体激光器（混合行波放大）
混合放大类型激光器结合了光纤和固体激光器的优点，这种结构提供了更灵活的应用范围，固体行波兼顾着能量大功率高的两点优势，但是目前材料受限于YbYAG增益带宽的问题，获得的脉宽通常＞600fs，单脉冲能量在mJ量级，典型功率范围也就在20-50W左右，此外就是行波放大的天然劣势——光束质量。
在行波放大器中，入射光（信号光）和泵浦光沿着相同或相反的方向传播。信号光在通过增益介质时与泵浦光相互作用，从而实现放大的。由于信号光和泵浦光在介质中的传播路径和速度可能不同，这可能导致增益的空间不均匀性。特别是在大面积或长路径的放大介质中，这种不均匀性更为显著。由于增益的不均匀分布，信号光在通过放大介质时可能会遭遇不同程度的放大。这种不均匀放大会导致光束质量下降，表现为波前畸变或光束模式不稳定。
行波放大器的特殊结构导致为获得良好的光束质量通常需要复杂的光路设计和精细的调整，这在某些情况下也是非常具有挑战性的。
飞秒板条激光器
行波放大的双端泵浦板条激光技术原理图
板条飞秒激光器通常也是采用行波放大（Regenerative Amplification）方式。在这种方式中，脉冲在增益介质中反复往返，每次通过都得到增强。
他相比固体激光器能产生更高能量和高功率的原因是有效的热管理和均匀的增益分布，板条形状的增益介质有助于更有效地散发热量，减少热透镜效应，从而允许使用更高的泵浦功率，增加能量输出。还有助于实现在整个增益介质中更均匀的激光增益，这对于高功率放大至关重要。
飞秒碟片激光器
TRUMPF Scientific Lasers（TSL）的Dira 200-1系列碟片激光器结构
碟片飞秒激光器同样采用再生放大的放大技术。在这种系统中，脉冲在薄碟片增益介质内多次反射和放大。碟片设计（薄晶体）允许更高效的热传导和热管理，减少热损伤和热透镜效应。另外碟片的结构使得泵浦光能更均匀地分布在增益介质中，提高了能量转换效率和激光输出的稳定性。
目前市面上经过验证的品牌不多，板条激光器的能量通常在50mJ量级;平均功率>200W；脉宽普遍在ps量级（>900fs）；碟片激光器一般用来追求更高的单脉冲能量，>100mJ；平均功率>200W；脉宽普遍在ps量级（>900fs）。板条和碟片飞秒激光器都是固体激光器的变种，它们都是通过独特的增益介质设计优化了热管理，并提高了泵浦效率，允许高功率操作同时保持高光束质量，使得这些激光器在高功率应用中表现出色。这些特点使它们成为许多高端应用，如大规模材料加工、精密制造和前沿科学研究中的理想选择。
在当前飞秒激光器技术的众多选择中，再生放大固体激光器以其卓越性能和多样化应用能力脱颖而出，成为了首选技术。全光纤激光器虽在稳定性和维护简易性上有所优势，但在高能量高功率光束质量等输出方面已被再生放大固体激光器超越。板条和碟片激光器提供了高功率和优良的热管理，但它们的技术复杂度和成本在某些应用中可能成为限制。行波放大的固体激光器在特定场景下依然有其独特的应用价值，但在光束质量和增益带宽限制的脉冲宽度方面不如再生放大固体激光器。因此，在追求高性能、精确控制和多功能性的应用中，再生放大固体激光器就成为了当前阶段更加合适的选择。