詳解超快激光發展歷程與關鍵技術

1960年，第一臺激光器--紅寶石激光器問世為超快過程的研究打開了門戶。1961年，調Q技術在紅寶石激光器上首次實現了脈沖寬度為幾十納秒的短激光脈沖輸出，激光脈沖的脈寬甚至被縮短到10納秒，調Q技術所能得到的脈沖寬度只能達到納秒級，這是由于受到激光器腔長的限制(2L／c，L為激光器諧振腔長度，C是光速。1964年發展的相位鎖定技術，將激光器各自獨立振蕩的多縱模型形成時間有序，鎖模技術首次在氦氖激光器上實現主動鎖模的納秒級激光脈沖輸出。兩年后，在銣玻璃激光器上首次實現皮秒級的激光脈沖輸出。20世紀60年代中期，紅寶石激光鎖模和釹玻璃激光鎖模的發展，開始了皮秒時域的皮秒現象研究。1976年在寬帶可調染料激光介質體系運用可飽和染料吸收體首次實現了亞皮秒的超短激光脈沖輸出。

20世紀80年代，超快光譜學發生了革命性的變化。對撞脈沖鎖模(CPM)的概念引入了染料激光器，皮秒激光脈沖被壓縮到了飛秒(fs)時域，產生了100 fs的脈沖。緊接著出現30 fs的脈沖。這是由一個環形激光器與染料放大器鏈相耦合，工作在620 nm波長獲得的。克爾(Kerr)門技術的出現促進了超快光譜學包括超快熒光光譜學的發展。啁啾脈沖壓縮技術的運用又將脈沖寬度壓縮到20 fs乃 至6 fs。特別值得指出，超快過程的發展中鈦寶石激光器擔負著十分重要的角色，鈦寶石材料是超短脈沖振蕩器和放大器的重要增益介質，它能夠在800 nm輸出脈寬4～5 fs的超快脈沖。在近紅外頻區能實現20亞飛秒輸出的材料則有Cr4+：YAG，Cr3+：LiSAF，Cr4+：鎂橄欖石(M92Si04)。讓我們比較和估算一下飛秒激光器的能量密度：一束大約20 fs脈寬的飛秒激光產生1J的能量，這種激光聚焦的峰值能流達到1020W／cm2。

從紅寶石激光器出現，借助重要的脈沖調Q，鎖模和壓縮技術，超快過程經歷并實現了納秒(1ns=10-9s)、皮秒(1ps=10-12s )、飛秒(1fs=10-15s)和阿秒(1as=10-18s)的發展過程。當采用太瓦(1012w)的激光激發時，可實現了亞阿秒(10-19s)的超短脈沖輸出。理論上已經證明，如果用拍瓦(1015w)的激光激發時，能夠產生仄秒(zeptosecond，10-21s)和亞仄秒(subzeptosecond，10-22s)的激光脈沖。

超快過程的重要技術--脈沖調Q鎖模和壓縮

所謂調Q就是指調節激光器的Q值的技術。在激光器泵浦的初期，把諧振腔的Q值調得很低，使激光器暫時不滿足振蕩條件，在泵浦脈沖的激勵下獲得很高的粒子數密度時，再迅速調大諧振腔的Q值，此時反轉粒子數密度遠大于閾值反轉粒子數密度，激光振蕩迅速建立并達到很高的峰值功率，同時反轉粒子數迅速被耗盡，脈沖很快結束，這樣就獲得了具有窄脈沖寬度和大峰值功率的激光脈沖。利用調Q技術能夠建立納秒脈沖的輸出。

鎖模(mode locking)是激光器產生超短脈沖的重要技術。激光器光腔內存在多種模式的激光脈沖，當這些模式相互間的相位實現相長干涉時才產生激光超短脈沖或稱鎖模脈沖輸出。鎖模一般分為兩類：一類是主動鎖模，另一類是被動鎖模。前者是從外部向激光器輸入信號周期性地調制激光器的增益或損耗，達到鎖模；后者則采用飽和吸收器(例如一片薄的半導體膜)，利用其非線性吸收達到鎖定相對相位，產生超短脈沖輸出。

脈沖壓縮技術是克服材料折射率隨波長變化引起的色散效應采取的措施．如果啁啾是線性的，則色散容易矯正．然而大部分光學放大器的制作材料會產生高 階效應，當脈沖寬度增加時很難予以控制，需通過脈沖壓縮技術解決．脈沖壓縮 技術具有四種基本方法：第一種是平行光柵對壓縮器。它讓光束的長波長部分比短波長部分通過更長的光程，這樣倒轉了材料的色散效應，成為脈沖放大器鏈的光柵延伸器。這種壓縮器在適當的間隔引入了負色散，其結構緊湊，但光損失大(接近50％)，而且會引入高階色散。第二種是棱鏡對壓縮器?；驹砼c光柵對類似，但是引人的負色散比前述的光柵型的?。偃绠攦蓚€棱鏡之間的問距足夠大時，材料的正色散能夠通過將一個棱鏡移入和移出光路獲得平衡。棱鏡的頂角切割成中心波長的偏離最小，而入射角呈布儒斯特角，使得線性偏振的菲涅耳(Fresnel)反射損失最小，整個光腔系統幾乎沒有什么損失。值得指出：光柵對壓縮器和棱鏡對壓縮器引人了符號相反的三階色散分量，如果兩者一起使用可以抵消色散的高階分量項。第三種是比較現代的雙啁啾鏡(DcM)壓縮器。布拉格鏡是由交替的Si02和Ti02涂層構成的，涂層的折射率呈臺階狀變化．這樣的結構引入了負色散關系。鏡的正面好比透射光柵產生部分反射光，而鏡的背面產生布拉格反射。為了消除震蕩效應，將高折射率層的厚度做成錐形，鏡子的正面涂有寬帶抗反射層。鏡于網止回漲伺覓常玩及射層．壓縮器不能對色散進行調節，必須按標準進行制作和精確地剪裁，并需由離子束濺射技術制造，因而價格相當昂貴，使用尚不夠廣泛．第四種是采用新技術的微機械形變鏡壓縮器。除了帶寬限制脈沖外，有源器件如液晶調制器，聲光調制器，機械形變鏡(M2)等均能用來產生復雜的波形。

飛秒激光的特點和實現

飛秒激光是一種以脈沖形式運轉的激光，持續時間非常短，只有幾個飛秒，一飛秒就是10的負15次方秒，也就是1／1000萬億秒，它比利用電子學方法所獲得的最短脈沖要短幾千倍，是人類目前在實驗條件下所能獲得的最短脈沖。這是飛秒激光的第一個特點。飛秒激光的第二個特點是具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，比目前全世界發電總功率還要多出百倍。飛秒激光的第三個特點是，它能聚焦到比頭發的直徑還要小的空間區域，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數倍。

飛秒激光的這些特性是如何實現的呢？高功率飛秒激光系統由四部分組成：振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。在振蕩器內，利用一種特殊技術獲得飛秒激光脈沖。展寬器將這個飛秒種子脈沖按不同波長在時間上拉開。放大器使這一展寬的脈沖獲得充分能量。壓縮器把放大后的不同成分的光譜再會聚到一起，恢復到飛秒寬度，從而形成具有極高瞬時功率的飛秒激光脈沖。

飛秒激光在物理學、生物學、化學控制反應、光通訊等領域中得到了廣泛應用。特別值得提出的是，由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變早期診斷、醫學成象和生物活體檢測、外科醫療及超小型衛星的制造上都有其獨特的優點和不可替代的作用。