定义
基于Ti：蓝宝石增益介质的激光器。
钛掺杂蓝宝石（Ti3+：蓝宝石，有时是TiSa激光器）是一种广泛使用的过渡金属掺杂增益介质，用于可调谐激光器和飞秒固态激光器。它于1986年推出[1]，此后Ti：蓝宝石激光器迅速取代了大多数染料激光器，这些激光器以前在超短脉冲产生和广泛波长可调激光器领域占主导地位。Ti：Sapphire激光器也非常方便，例如用于泵浦新型固态激光器的测试设置（例如基于钕掺杂或镱激光增益介质），因为它们可以很容易地调谐到所需的泵浦波长，并且由于其良好的光束质量和通常几瓦的高输出功率，因此可以以非常高的泵浦亮度工作。
由于成本相对较高，这主要是由泵浦要求引起的（见下文），Ti：sapphire激光器的使用范围不是很广，而且主要用于利用其在波长调谐或超短脉冲生成方面的非凡能力的应用。
钛：蓝宝石的特性
Ti：蓝宝石增益介质的特殊性质（另见表1）是：
- 蓝宝石（单晶Al2O3 ）具有出色的导热性，即使在高激光功率和强度下也能减轻热效应。
- 提酒店3+离子具有非常大的增益带宽（远大于稀土掺杂激光增益介质的增益带宽），允许产生非常短的脉冲和宽波长的可调性（通常使用双折射调谐器）。最大增益和激光效率在800 nm左右获得，许多Ti：蓝宝石激光器的工作发射波长在大约700 nm和900 nm之间。可能的调谐范围≈650 nm至1100 nm，但通常需要不同的反射镜组来覆盖这个巨大的范围，并且更换镜像集是一项繁琐的任务。（通过使用超宽带啁啾反射镜，可以减少所需的镜像集数量。
- 还有很宽范围的可能的泵浦波长，然而它们位于绿色光谱区域（吸收峰为≈490 nm），其中强大的激光二极管不像其他光谱区域那样容易获得。在大多数情况下，使用几瓦的泵浦功率，有时甚至20 W.最初，Ti：sapphire激光器在大多数情况下都用514nm氩离子激光器泵浦，这些激光器功能强大，但效率非常低，操作昂贵且笨重。现在可以使用其他类型的绿色激光器，并且基于钕掺杂激光增益介质的频率加倍固态激光器被广泛使用。然后，泵波长通常为532 nm，与514 nm相比，泵吸收效率略有降低。在较短的波长下直接泵浦二极管，例如在455 nm处使用基于GaN的激光二极管，也是可能的，但在这里，不仅大大降低了泵浦吸收，而且还具有有害的诱导损耗，这大大降低了性能[17]。然而，随着强大的光纤耦合泵浦二极管的出现，即使是多瓦输出也成为可能[20]。
- 提Ti3+ 掺杂浓度必须保持在相当低的水平（例如0.15%或0.25%），否则就不可能有良好的晶体质量。因此，有限的泵吸收通常强制使用几毫米的晶体长度，这与小泵光斑尺寸（对于高泵强度）相结合，意味着需要相当高的泵亮度。
- 理想情况下，Ti：蓝宝石晶体仅包含Ti3+离子和无Ti4+，但一些少量的Ti4+不幸的是，它很难避免，并且它在激光波长处引起寄生吸收，从而恶化了激光性能。为了量化Ti：蓝宝石晶体在这方面的质量，人们经常使用品质因数（FOM），其定义为泵浦和激光波长处的吸收系数之比 - 通常，以514 nm或532 nm作为泵浦波长，以800 nm左右的波长作为激光波长。
- Ti：蓝宝石的上状态寿命短（3.2 μs），饱和功率非常高。这意味着泵的强度需要很高，因此需要强烈聚焦的泵束，从而需要具有高光束质量的泵源。
- 尽管发射带宽巨大，但Ti：蓝宝石具有相对较高的激光截面，这降低了Ti：蓝宝石激光器在Q开关不稳定性方面的趋势。
| 属性 | 值 |
|---|---|
| 化学式 | Ti3+:Al2O3 |
| 晶体结构 | 六方 |
| 密度 | 3.98 g/cm3 |
| 莫氏硬度 | 9 |
| 杨氏模量 | 335 GPa |
| 抗张强度 | 400 MPa |
| 熔点 | 2040 °C |
| 导热 | 33 W / (m K) |
| 热膨胀系数 | ≈ 5 ·10−6K−1 |
| 抗热冲击参数 | 790 W/m |
| 双折射 | 阴性单轴 |
| 633 nm 处的折射率 | 1.76 |
| 折射率的温度依赖性 | 13 ·10−6K−1 |
| Ti 密度为 0.1% 时。掺杂 | 4.56 ·1019cm−3 |
| 荧光寿命 | 3.2 μs |
| 790 nm 处的发射横截面（偏振平行于 c 轴） | 41 ·10−20cm2 |
表 1：钛的光学、机械和其他性能3+：用于激光的蓝宝石晶体。
Ti：蓝宝石可能含有一定量的不需要的Ti4+离子，导致寄生吸收，从而导致激光效率的损失。重要的是要优化制造技术，使Ti4+内容最小化。
Ti：蓝宝石激光器的结构
Ti：Sapphire激光器的构建方式与其他类型的固态体激光器类似：Ti：Sapphire晶体，通常在两个弯曲的反射镜之间，用于在晶体中形成紧密的焦点，泵浦光通过其中一个或两个二向色镜注入，以及一些附加组件，如反射镜，可能还有用于波长调谐和/或超短脉冲生成的光学元件（见下文）。激光晶体通常很小，通常只有几毫米的光程长度用于泵浦和激光辐射。通常需要端泵而不是侧泵来获得所需的高泵强度。
如上所述，二极管泵浦很难实现，因为在有些不方便的波长下，泵浦源需要高功率和高光束质量。因此，通常需要双倍频率的固态激光器作为泵浦源。然而，在二极管泵浦Ti：蓝宝石激光器方面也取得了实质性进展[17-20]。
脉冲生成
来自 Ti：蓝宝石激光器的超短脉冲可以通过无源模式锁定生成，通常采用 Kerr 透镜模式锁定 （KLM） 的形式。与 SESAM 的结合可实现脉冲生成过程的可靠自启动。100 fs左右的脉冲持续时间很容易实现，是商用设备的典型特征。然而，对于商业设备，即使是10 fs左右的脉冲持续时间也是可能的，而在研究实验室获得的最短脉冲的持续时间约为5.5 fs [8，9]。为了获得如此高的性能，必须引入非常精确的色散补偿，例如使用双啁啾反射镜。
锁模Ti：蓝宝石激光器的典型输出功率约为0.3-1 W，而连续波版本有时会产生几瓦特。典型的脉冲重复频率为80 MHz，但具有数千兆赫重复频率的设备也可以市售，例如可用作频率梳源。对于光学频率测量，具有超宽（倍频程跨越）光学光谱[11，12]的Ti：蓝宝石激光器非常重要。
如果脉冲持续时间和输出功率方面的要求不那么严格，则Ti：蓝宝石激光器可以用Cr：LiSAF或Cr：LiCAF激光器代替，后者可以在更长的（红色）波长下泵浦，其中激光二极管更容易获得。在其他情况下，可以使用光纤激光器。
Ti：蓝宝石也常用于多通道放大器和再生放大器。特别是对于啁啾脉冲放大，这种设备可以达到几太瓦的巨大输出峰值功率，或者在大型设施中甚至可以达到PTA瓦。这种巨大的功率对于极端情况下的非线性光学很有趣，例如高谐波产生，但也用于核聚变研究。
变频
非线性变频可用于进一步扩展Ti：蓝宝石激光系统的发射波长范围。最简单的可能性是频率加倍以访问蓝色，紫外线和绿色光谱区域。另一种方法是泵浦光学参数振荡器，在近红外或中红外光谱区域提供宽调谐范围。对于调谐OPO，通常只需调谐Ti：蓝宝石波长就足够了，而不是例如调谐OPO本身，例如通过积极影响相位匹配条件。
参考文献
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