1.3　飛秒激光的技術與特點

自20世紀開始，光學研究者們就一直面臨著一個非常難以解決的問題——光源。當時的理論和實踐研究中很難得到同時具備單色性與高亮度的光源，這也限制了一系列研究工作的進展。隨著愛因斯坦光電效應和受激輻射理論的建立以及Arthur Schawlow等人微波激射器的發明，Theodore Harold Maiman于1960年5月16日利用閃光燈泵浦的紅寶石產生了同時具有高相干性和高亮度的脈沖激光。由于其具有高光子簡并度的巨大優點，激光技術一經面世就得到了光學領域的廣泛關注和產生了新的研究方向，其中一個非常重要的研究方向就是如何獲得具有更高峰值功率的脈沖激光，這樣的想法促進了鎖模脈沖技術的建立與發展。

從激光器的發明開始，光學研究者們就開始在激光器的設計和理論研究方面進行了各種嘗試，同時也建立起了一套比較完備的激光器設計的理論基礎，這為后來的鎖模理論的產生打下了良好的基礎。20世紀70年代中后期，多種激光脈沖理論被提出并逐步完善，其中最具代表性的就是各種鎖模方式和理論（如主動鎖模、被動鎖模、同步泵浦鎖模等）的提出。研究者們同時也將上述理論在具體實踐中加以利用并搭建了輸出脈寬在皮秒（10?12 s）量級的脈沖激光器，特別是從被動鎖模激光器誕生之日起，在皮秒、亞皮秒、飛秒的超短光脈沖的脈寬新紀錄的突破方面，被動鎖模激光器一路領先，并廣泛應用在染料激光器、固體激光器、光纖激光器等多種激光器中。早先的被動鎖模激光器（主要是染料鎖模激光器）獲得了最大成功和最廣泛的應用。20世紀六七十年代染料激光器的被動鎖模集中在閃光燈抽運的脈沖運轉方式，脈沖寬度為皮秒量級，運轉波長多在藍、綠光波段。1980年左右，碰撞脈沖鎖模（Colliding Pulse Mode-Locking，CPM）激光器的出現，將超短脈沖技術從皮秒（10?12 s）和亞皮秒（<10?12 s）推進到了飛秒（1fs=10?15 s），成為超短脈沖激光技術發展的一個里程碑；其特殊結構和由此形成的特殊鎖模機理，使得這種激光器能夠穩定地運轉在飛秒量級。當時由振蕩器在中心波長630 nm處直接產生了脈沖寬度為27 fs的飛秒脈沖，而經腔外可以將脈沖壓縮至6 fs，這一紀錄保持了10年之久。

染料激光器機構復雜，調整困難，染料需要循環，而且具有毒性，雖然可以得到極窄的脈沖輸出，卻難以普及。20世紀90年代初，超短激光脈沖技術得到了非常迅猛的發展。在這一時期，飛秒激光的產生介質和原理都有了比較大的改進與發展：1990年，D. E. Spence等人通過利用Ar離子激光器泵浦摻鈦藍寶石（Ti: Sapphire）介質，成功地實現了利用非線性光學中的克爾透鏡原理作為鎖模機制的被動鎖模激光器，得到了60 fs的激光脈沖輸出，如此使得運轉穩定、能夠實現小型化和實用化的固體飛秒激光器進入了一個新的發展階段。鈦寶石具有超寬的增益線寬，使其可以支持短到4 fs的超短脈沖，正因如此，10多年來，由鈦寶石振蕩器直接產生的飛秒脈沖寬度不斷被刷新。1993年，M. T. Asaki等人在摻鈦藍寶石激光器中采用石英棱鏡進行色散補償，得到了10.9 fs的脈沖輸出。1994年，J. P. Zhou等人使用2 mm的鈦寶石晶體和雙石英棱鏡對獲得了8.5 fs的激光脈沖。1999年，U. Morger利用低色散棱鏡對和一對啁啾鏡對鈦寶石激光器系統內的色散進行了補償，使得其輸出脈沖寬度可以被壓縮至兩個光學周期以內，其脈沖光譜寬度約為350 nm，重復頻率為90 MHz，已經達到了當時飛秒激光器輸出時域窄脈沖的極限。同年，A. V. Sokolov等人提出了利用超薄氣體介質引起激光脈沖頻率調制的理論，并估算出使用該方法能夠產生小于1 fs的超短脈沖。

克爾透鏡鎖模（Kerr-lens Mode-locking，KLM）是一種利用非線性光學中的光學克爾效應（Optical Kerr Effect）對激光腔內模式進行鎖定的技術。圖1.15所示為典型的克爾透鏡鎖模的計算模型。克爾透鏡效應是一種二階電光非線性效應，最早由John Kerr于1875年發現。在較高的光子密度下，材料的折射率會隨著強光電場的改變而出現明顯的空間分布差異，與泡克耳斯效應（Pockel's Effect）的線性關系不同的是，克爾效應中光學參量的變化與電場強度呈二次方關系。大多數材料均可以觀測到克爾效應，但只有少數的液體及其他材料能夠表現出較強的非線性。克爾透鏡鎖模方式采用迄今為止響應速度最快、工作帶寬最寬的類飽和吸收體，因此可產生寬度只有幾個飛秒的光脈沖。如今，克爾透鏡鎖模的鈦寶石激光器仍保持著被動鎖模激光器最短脈沖紀錄。

圖1.15　典型的克爾透鏡鎖模的計算模型

與固體鎖模激光器同步發展起來的摻Er3+、Yb3+光纖鎖模激光器是一種新型超短脈沖光源，摻Er3+光纖鎖模激光器的發射波長位于1 550 nm波段，被廣泛應用于光通信；摻Yb3+光纖鎖模激光器工作在1 060 nm波段，具有超過80%的抽運光?激光轉化效率，多適用于開發高功率光纖激光器系統。從本質上講，光纖激光器也屬于固體激光器。然而，它具有很多塊狀或棒狀固體激光器無可比擬的優勢：（1）光束完全被封閉在纖芯中，不再受周圍環境的影響。這將飛秒激光器從超凈、恒溫和防震的高級實驗室中解放出來，使其適用于更多的復雜環境；而且對于具有全光纖結構的光纖激光器，可以省去空間光路的精密調節，結構緊湊、易于維護。（2）光纖具有很大的表面積?體積比，具有極好的散熱效果，在大功率運轉時甚至不需要冷卻裝置，實現了激光器的小型化。（3）光纖激光器可以獲得衍射極限的光束質量。（4）光纖的單次通過增益高，具有最佳的抽運光?激光轉化效率。光纖激光器具有比固體激光器更強的色散和非線性（克爾效應），使得光纖激光器與固體激光器相比具有更豐富的鎖模機制，例如：利用在光纖激光器中插入半導體可飽和吸收鏡（Semiconductor Saturable Absorber Mirror，SESAM）實現鎖模的自啟動；利用非線性偏轉效應（Nonlinear Polarization Evolution，NPE）實現超寬脈沖的形成；利用在諧振腔呈反色散的情況下，光纖中色散與非線性效應平衡產生的光孤子效應實現脈沖寬度的壓縮（即孤子鎖模，Soliton Mode-Locking）等。圖1.16所示為Er、Yb共摻二氧化硅的能級圖，圖1.17所示為包層泵送原理。泵浦激光耦合入光纖包層，通過包層傳輸泵浦激光，激勵纖芯的摻雜的稀土離子，最終產生激光。

圖1.16　Er、Yb共摻二氧化硅的能級圖

圖1.17　包層泵送原理

利用各種鎖模技術和脈沖壓縮技術，人們可以獲得飛秒級的超短脈沖激光，這為微觀世界的超快過程的研究提供了前所未有的可能性和廣闊前景。但是，直接由鎖模激光器輸出的超短脈沖能量通常是很小的，一般在10?9 J量級或更小，這對利用物質非線性產生高次諧波以及拉曼效應等需要光脈沖峰值功率在106 W甚至108 W或109 W以上的應用是遠遠不夠的。因此，在20世紀七八十年代，隨著超短脈沖激光技術的不斷完善及其應用的飛速發展，超短光脈沖放大技術也得到發展并逐漸成熟起來。其中，摻鈦藍寶石由于其非常寬的增益帶寬和極大的調諧范圍，在超短光脈沖放大技術中具有廣泛的應用前景。1985年，G. Mourou等人借鑒了二戰時期發展起來的啁啾雷達技術，并將這一思路應用在脈沖激光的放大中，提出了啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplifier，CPA）方案，使得放大后的脈沖功率迅速達到了太瓦（TW）量級，這項技術也于2018年獲得了諾貝爾物理學獎。1991年，Sullivan等人利用四級鈦寶石多通放大器構成的CPA系統，獲得了重復頻率為10 Hz、脈沖寬度為95 fs、單脈沖能量為450 mJ、峰值功率為3 TW的脈沖輸出，由此飛秒激光進入太瓦時代。1998年，Charles G. Durfee等人利用多通放大技術獲得了17 fs、輸出峰值功率為0.26 TW的激光束。同年，Yamakawa等人利用兩級鈦寶石CPA系統獲得了10 Hz、16 fs、160 mJ、10 TW的脈沖輸出，之后他們在原有的放大系統上加以改進，采用三級鈦寶石放大系統獲得了10 Hz、19 fs、1.9 J、100 TW的脈沖輸出。2003年，Aoyama等人在100 TW鈦寶石CPA系統的基礎上，又加上了一級倍頻釹玻璃放大器抽運的大口徑鈦寶石三通放大器，得到了峰值功率達0.85 PW的脈沖輸出。

使用條件較低、應用范圍極廣的光纖激光器由于早期受到光纖拉制工藝的限制，沒有得到較多的發展，直到1986年南安普頓大學的S. B. Poole等人拉制出第一根低損耗摻Er3+增益光纖，才使得光纖放大器走向實用化。而在1988年Snitzer等人提出了雙包層光纖，打破了光纖激光器低功率的桎梏，開創了大功率光纖激光器發展的新局面。1994年，H. M. Pask等人首先實現了摻Yb3+雙包層激光器的運轉，得到了最大功率為0.5 W的輸出。2000年A. Galvanauskas首次獲得了平均功率為10 W以上的飛秒光纖激光器，并且超過了當時鈦寶石飛秒激光器系統的最高平均功率。而隨著大模場面積光子晶體光纖的出現，飛秒光纖激光器的輸出功率又獲得了進一步提升。2005年Limpert小組利用摻YB的大模場面積雙包層光子晶體光纖的CPA放大系統，得到了平均功率為131 W、重復頻率為73 MHz、脈沖寬度為220 fs的輸出。2007年，該小組又利用纖芯直徑為80 μm的大模場面積光子晶體光纖得到了單脈沖能量為1.45 mJ、重復率為50 kHz、脈沖寬度為800 fs的輸出，這是目前飛秒光纖激光器輸出的最高單脈沖能量。以鈦寶石和雙包層摻雜光纖飛秒激光啁啾脈沖放大器為基礎的高單脈沖能量、高峰值功率的飛秒激光系統被普遍應用于材料加工、生物光子學等領域。