【文章內(nèi)容簡介】 術(shù)運(yùn)用等。超短脈沖使人們得以從未達(dá)到的時(shí)標(biāo)追循微觀世界的超快弛豫過程，以從未有過的光強(qiáng)度水平研究光與物質(zhì)的相互作用。 。激光技術(shù)已經(jīng)在光通信、激光測量、光信息存儲、國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。就激光脈沖來說．人們能夠制造的脈沖寬度越來越短。目前己經(jīng)可以制造出接近甚至不足一個(gè)光學(xué)振蕩周期的激光脈沖。近年來，超短激光脈沖光束成為當(dāng)今激光領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，是我國通信領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。 脈沖激光技術(shù)自1965年用被動鎖模紅寶石激光器獲得皮秒級脈沖而進(jìn)入超短范圍以來，發(fā)展十分迅速。70年代中出現(xiàn)了對撞鎖模環(huán)形染料激光器，使激光脈沖的寬度進(jìn)入飛秒范圍。至80年代中，對撞鎖模環(huán)形染料激光器的脈沖寬度達(dá)到了27飛秒(fs)。1986年，中科院西安光機(jī)所陳國夫在英國進(jìn)修期間利用對撞鎖模環(huán)形染料激光器創(chuàng)造了19fs的當(dāng)時(shí)國際最短記錄。1991年國際上出現(xiàn)了自鎖模鈦寶石激光器，當(dāng)時(shí)產(chǎn)生了60fs的脈沖。鈦寶石固體秒飛秒激光器調(diào)諧范圍寬(650一1100nm)，熒光帶寬(理論上可以支持產(chǎn)生3fs的脈沖)，可靠性高，使用方便。它的出現(xiàn)掀起了國際上發(fā)展飛秒激光技術(shù)與應(yīng)用飛秒脈沖的熱潮。 鈦寶石固體飛秒激光器產(chǎn)生的脈沖寬度1993年降至11fs，1994年降至8fs，1996，1996年，而1998年西安光機(jī)所的程昭則在奧地利利用超寬帶啁啾鏡腔外壓縮，獲得了4fs的最佳結(jié)果 。以上這些都是當(dāng)時(shí)的國際最高指杯。而近年來，隨著脈沖激光術(shù)的發(fā)展，可以產(chǎn)生的脈沖寬度已經(jīng)逼近阿秒。 高時(shí)間分辨率：超短脈沖的脈寬在ps、fs甚至更短，能夠作為測量固體物理、化學(xué)、生物材料等領(lǐng)域超快物理過程的測量工具。 高空間分辨率：超短光脈沖空間長度是脈沖寬度與光速的乘積，隨著光脈寬的縮短，其空間長度也不斷縮短，已經(jīng)達(dá)到微米量級，這在顯微成象方面有很大用途。 高帶寬：光脈沖的脈寬和其帶寬乘積為相同數(shù)量級，脈寬縮短，則帶寬增加。100fs的脈沖寬度其帶寬達(dá)到了10THz，最短的可見光波段超短激光脈沖的帶寬已經(jīng)包含了大部分可見光光譜區(qū)，看起來象白光一樣。高帶寬在光通信方面非常重要。 高功率激光：激光器輸出功率提升意味著體積的增加，也意味著費(fèi)用的增長，fs技術(shù)可以用中等輸出能量的激光器產(chǎn)生有極高峰值功率激光輸出，目前已達(dá)到1015W量級的峰值功率和1020W/cm2的光強(qiáng)。 超短脈沖技術(shù)是物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、光電子學(xué)以及激光光譜學(xué)等學(xué)科對微觀世界進(jìn)行研究和揭示新的超快過程的重要手段，為人類提供了前所未有的全新的實(shí)驗(yàn)手段與極端的物理?xiàng)l件。就時(shí)間尺度而言，可以說人類已由飛秒（10的負(fù)15次方秒）時(shí)代穩(wěn)步邁進(jìn)亞飛秒甚至阿秒（10的負(fù)18次方秒）時(shí)代。就空間角度而言，空間分辨率已經(jīng)從微米向納米發(fā)展。飛秒科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已有近20年歷史，所有這一切，都對自然科學(xué)和人類社會的進(jìn)步產(chǎn)生重要的影響。飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，已使超短激光，脈沖寬度很容易達(dá)到幾十fs。利用四棱鏡組補(bǔ)償腔內(nèi)群速彌散的對撞脈沖環(huán)型染料激光器已直接產(chǎn)生了19fs的激光脈沖。飛秒激光脈沖的放大壓縮技術(shù)也獲得驚人的發(fā)展。采用光纖——光柵——棱鏡作為脈沖壓縮系統(tǒng)對放大后的光脈沖進(jìn)行二階和三階相位畸變補(bǔ)償,已產(chǎn)生了6fs的光脈沖。自從激光器出現(xiàn)以來，激光脈沖在生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域的廣泛虛用，特別是在超快過程和超快現(xiàn)象診斷技術(shù)領(lǐng)域，被動鎖模、閃光燈泵浦的釹玻璃激光器，有機(jī)染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖源一般用作為激發(fā)和探測光源。但是由于這類激光器的重復(fù)頻率低，所以它們的應(yīng)用受到限制。同步泵浦鎖模連續(xù)波染料激光器提供了調(diào)諧范圍廣的ps光脈沖。主動鎖模的YAG激光器，已獲得普遍應(yīng)用，但是，Nd：YAG材料的熒光帶寬較窄，其脈沖寬度一般約70ps 采用抗諧振環(huán)型被動鎖模腔，脈沖小于10ps的結(jié)果已經(jīng)獲得。最近幾年，利用高功率激光在光纖中傳播的非線性效應(yīng)產(chǎn)生的自相位調(diào)制擴(kuò)展光脈沖的的光譜帶寬，然后采用光柵對(或其他彌散延遲裝置)補(bǔ)償群速度彌散。CW Nd：YAG激光器產(chǎn)生的脈沖已壓縮到約l ps。正如在皮秒脈沖技術(shù)一節(jié)中討論的那樣． 自相位調(diào)制和群速光脈沖的技術(shù)主要是采用對撞脈沖環(huán)型染料激光器。這類激光器結(jié)構(gòu)比較其他類型的激光器結(jié)構(gòu)有顯著的優(yōu)點(diǎn)。由于兩個(gè)強(qiáng)度相等的脈沖在可飽和吸收體中對撞生瞬時(shí)粒籽光柵．這不僅大大地增加了在可飽和吸收體中的光強(qiáng)，而且，這種瞬時(shí)光柵對脈沖的后沿造成較大的衍射損耗．使脈沖的后沿變陡，鎖模激光器的工作穩(wěn)定性也大太提高。隨著脈沖寬度的磕小，激光脈沖的帶寬增加．加上光脈沖在介質(zhì)中的色散特性和自相位調(diào)制． 使光脈沖的縮短受到限制。這種效應(yīng)主要來自于腔內(nèi)的光學(xué)元件，如t反射鏡．玻璃．染料溶劑和染料等。這種群速度彌散是由多種因素所致， 所以人們難于難以預(yù)先知道它的符號和大小， 解決這種問題的辦法是在激光腔內(nèi)引入群速度彌散補(bǔ)償元件布氏棱鏡組或G．T干涉式群速彌散補(bǔ)償系統(tǒng)，或采用雙堆層鍍膜技術(shù)。這些技術(shù)可以控制激光腔內(nèi)的群速度的彌散量和符號，實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償， 從而獲得最短的光脈沖。采用該技術(shù)并利用黃光切斷反射鏡，已獲得19fs的超穩(wěn)定的光脈沖源，這種激光器在測試同步掃描皮秒變象管相機(jī)和單次掃描飛秒變象管相機(jī)中獲得應(yīng)用。 鎖模簡介普通的多縱模激光器，即所謂的自由振蕩激光器，各個(gè)縱模的位相都是彼此獨(dú)立無關(guān)的。任一瞬間觀察每個(gè)縱模的振幅和位相分布，都可以看到不規(guī)則結(jié)構(gòu)。這種分步不是穩(wěn)定的，而是隨時(shí)間發(fā)生迅速的無規(guī)漲落。作為各個(gè)縱模的疊加，合成光波的瞬時(shí)功率隨時(shí)間作快速而無規(guī)的波動。如果在鎖模狀態(tài)，各個(gè)縱模相互關(guān)聯(lián)，它們具有相同的位相。此時(shí)激光場的頻域和時(shí)域特性將發(fā)生本質(zhì)的變化，我們將得到頻域穩(wěn)定的頻譜強(qiáng)度、均勻的位相分布和時(shí)域等間隔的脈沖系列輸出。這種情況就稱為鎖模：(1) 位相鎖定的縱模數(shù) N 越大則峰值功率越高，相干疊加的鎖模脈沖光強(qiáng)比自由振蕩總強(qiáng)度提高了 N 倍；(2) 鎖定的縱模數(shù)越多則鎖模脈寬越窄，脈沖寬度與頻帶寬成反比；(3) 鎖模脈沖系列的周期正好對應(yīng)著光波在諧振腔內(nèi)的渡越時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)激光鎖模，需要在諧振腔內(nèi)設(shè)置調(diào)制元件（損耗調(diào)制器或位相調(diào)整器）。按調(diào)制的方式分，又主動鎖模和被動鎖模兩類。主動鎖模的調(diào)制源在外部，可以人為的控制調(diào)制頻率和幅度。而被動鎖模則利用了透過率隨光強(qiáng)變化的可飽和吸收體，當(dāng)光波在腔內(nèi)來回往返時(shí)，受到可飽和吸收體的周期性調(diào)制。這種可飽和吸收體的調(diào)制靠光波本身的光強(qiáng)獲得，因此稱為被動鎖模。被動鎖模可由噪聲漲落模型解釋，它具有兩個(gè)閾值條件。達(dá)到第一閾值才產(chǎn)生包括隨機(jī)強(qiáng)度漲落的自由振蕩。第二個(gè)閾值是在第一閾值之上，凈增益達(dá)到這個(gè)閾值之后才能出現(xiàn)單脈沖鎖模系列。第二閾值是不難解的，因?yàn)槿绻麅粼鲆嫣?，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在光強(qiáng)到達(dá)吸收體飽和光強(qiáng)之前就已耗盡，不可能有脈沖鑒別功能。3啁啾脈沖放大技術(shù)高峰值功率高強(qiáng)度的產(chǎn)生，主要?dú)w功于CPA技術(shù)和寬帶高增益介質(zhì)的出現(xiàn)。在CPA技術(shù)出現(xiàn)以前，由于受到非線性效應(yīng)和激光元件損傷閾值的限制，脈沖峰值功率一直停留在GW( W)量級，對應(yīng)的聚焦功率密度也很低。直到1985年以后，將CPA技術(shù)用于激光脈沖放大，加上晶體生長技術(shù)的El趨完善，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)秀的寬帶高增益放大介質(zhì)，使脈沖的峰值功率迅速提高，達(dá)到太瓦( w)量級，甚至是拍瓦( w)量級。與此相對應(yīng)，激光脈沖的聚焦功率密度也迅速提高，目前的記錄達(dá)到 W／量級以上，推動物理學(xué)研究進(jìn)入了非線性相對論光學(xué)范圍。 CPA的發(fā)展及現(xiàn)狀 G. Mourou 及其合作者于 80 年代末提出了啁啾脈沖放大（CPA）的概念。CPA 最早是在微波（雷達(dá)）應(yīng)用中出現(xiàn)的。CPA 技術(shù)的意義在于它可以提高超短脈沖的能量，而同時(shí)又避免在激光放大過程中工作在高峰值功率情況。通過對展寬了（100psns）的啁啾脈沖進(jìn)行放大，CPA 技術(shù)極大地降低了激光介質(zhì)非線性破壞的可能性，可有效地從放大器抽取儲能（高能量），同時(shí)又充分利用增益帶寬（短脈沖）。在早期的 CPA 演示實(shí)驗(yàn)中，光纖的正色散被用來展寬脈沖，而 Treacy 型光柵對所提供的負(fù)色散被用作對啁啾脈沖進(jìn)行“還原”。在這種光纖/光柵型 CPA 系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)光柵對的間隔可以補(bǔ)償光纖正色散的主要部分（即二階色散）。光柵對和光纖三階色散的不匹配將使得超短脈沖不能被完全還原。最大的脈沖展寬或壓縮比 R 只能在λc/Δλ量級，這里λc 是激光中心波長，而 λ是激光帶寬。當(dāng) R 超過上述數(shù)值時(shí)，被壓縮后的超短脈沖將帶有嚴(yán)重的脈沖前后次峰，影響激光脈沖的信噪比。對帶寬 λ＝2nm 的皮秒 激光脈沖而言，如果使用光纖/光柵型 CPA 系統(tǒng)，其最大的脈沖展寬倍率 R 不能超過 500。而對 100fs 脈沖，R 值在 50 左右，展寬了的啁啾脈沖只能在5ps 左右。顯然，光纖/光柵 CPA 系統(tǒng)不適用于飛秒脈沖的放大。 CAP放大技術(shù)的原理Martinez型光柵展寬器（提供正群速度色散GDD）的發(fā)明，才真正使得CPA成為成熟的超短脈沖放大技術(shù)。目前的CPA技術(shù)的工作原理見圖（31）：⑴低能量的超短脈沖種子源由激光鎖模振蕩器提供。這樣的振蕩器通常輸出 100MHz重復(fù)率的激光脈沖串，脈寬在 10fs至 1ps間，脈沖能量在nj水平；⑵然后使用Martinez型光柵展寬器將超短脈沖色散調(diào)頻成長脈寬的啁啾脈沖。啁啾脈沖的寬度通常在 100ps至 3ns間，取決于增益介質(zhì)的飽和能流Fsat和超短脈沖寬度；⑶多級激光放大器將啁啾脈沖放大 倍，使得激光能流足夠高，并從放大器有效地抽取能量。這通常需要激光脈沖通過放大介質(zhì) 10－100 次；⑷激光放大結(jié)束以后，Treacy型光柵壓縮器將已放大的啁啾脈沖還原或再壓縮為超短脈沖。要獲得脈沖寬度和注入脈沖相近的高功率超短脈沖，對激光放大系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。 圖（31） 啁啾脈沖放大原理圖 在利用CPA技術(shù)進(jìn)行脈沖放大的過程中，寬帶高增益的放大介質(zhì)保證了高峰值功率的獲得。寬帶保證了放大脈沖壓縮的極限，高增益保證了高效率的放大。目前，用于放大的介質(zhì)主要有摻Nd3+和Ti3+兩大類。摻Nd3+類中用于放大最普遍的是Nd：glass，Nd：glass熒光壽命長，飽和能流高，適合高能量放大；但它的導(dǎo)熱差，增益譜寬窄，不適合短脈沖(100 fs)放大。摻Ti3+類放大介質(zhì)最常用的是Ti：Sapphire晶體，它的優(yōu)點(diǎn)是增益譜寬(180 nm)，損傷閾值高()，導(dǎo)熱好，是超短脈沖放大的理想介質(zhì)。一套鈦寶石激光器的占用面積僅需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺，它的小型化和可靠性使一般實(shí)驗(yàn)室開展強(qiáng)場物理研究成為可能。 群速度色散的補(bǔ)償及控制 為使超短脈沖接近付氏變換極限，在整個(gè)脈沖帶寬范圍內(nèi)，光脈沖的群速度延遲必須幾乎保持恒定不變。這就要求整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)各階色散量的總值分別為零： （） 上式反映了群速度色散補(bǔ)償?shù)母拍?，其中表示群速度色散的階數(shù)。由于材料體色散以及大多數(shù)膜層的色散量不可控的，因此要求尋找符號以及量值可變的色散元件來控制各階群速度色散。至今已發(fā)展了多種群速度色控制技術(shù)，它們分別對應(yīng)著不同的色散量控制范圍以及時(shí)間尺度： (1)棱鏡對，通過設(shè)計(jì)棱鏡對間距以及調(diào)節(jié)插入位置可以方便地改變二階色散量的大小和符號，控制范圍在量級左右，適用于補(bǔ)償 1cm 級的材料體色散以及20fs 的飛秒脈沖激光，常用于飛秒激光諧振腔； (2)光柵對，可以提供高量值的群速度色散，較材料體色散高三個(gè)數(shù)量級，可以方便地將飛秒脈沖展寬至納秒級啁啾脈沖。光柵對不僅可以控制二階色散