【正文】 個(gè) 數(shù)量級(jí) 噪聲值 。 但是 ，由于深入改進(jìn) 工程技術(shù) ， 可以比較完美的消除這些困擾 ，以后 寬帶高能量脈沖放大 運(yùn)用 的 主流辦法 15 就這樣形成了 。 例 如 應(yīng) 用 CPA 的光學(xué)參量 作為基準(zhǔn)的 OPCPA技術(shù) ，它的優(yōu)勢(shì)明顯并且數(shù)量大 :不可能出現(xiàn) 熱效應(yīng) 的困擾 ，同樣能夠得到毫焦量級(jí)的能量卻明顯減少 種子光 通過(guò)晶體的次數(shù) ,并且 它 不是一個(gè) 線性過(guò)程 ,介質(zhì)增益帶寬 無(wú)法控制它的增強(qiáng) ， 寬光譜 能夠形成 ， 理論上 證明能夠?qū)崿F(xiàn) 109的 信噪比 ，整整超過(guò) CPA系統(tǒng) 兩個(gè) 數(shù)量級(jí)。 超過(guò)一千赫茲的 重復(fù)頻率 ,大部分都是應(yīng)用摻鈦藍(lán)寶石 的作為 增益介質(zhì) 的 ,因此導(dǎo)致 脈沖峰值功率 的輸出被增加 到 零點(diǎn)六六太瓦 ，可以實(shí)現(xiàn)十四瓦的 平均功率。日本 和 等人 兩千零三 年 增加 一個(gè)主放大級(jí) 在 原來(lái) 一百太瓦 的 基礎(chǔ)上 , 運(yùn)用 μ=88 mm口徑 的 Ti:sapphire晶體 ，運(yùn)用 能量 為 七百焦耳 的 泵浦 ，超過(guò) 50%的轉(zhuǎn)化 效率 ， 最后 八百五十太瓦 的高峰值功率 被獲得 , 初步估計(jì) 脈沖強(qiáng)度為 3 1021 W/cm2的 激光 在聚集 后 可以被得到 ,迄今為止這是 這一種 激光器 可以實(shí)現(xiàn) 峰值強(qiáng)度和功率 的極限 。摻鈦藍(lán)寶石晶體 是 這 個(gè)種 類(lèi)激光放大系統(tǒng) 經(jīng)常使用 的放大介質(zhì) ，低于三十飛秒的 脈沖寬度。 Lawrence Livermore National Laboratory美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 在 1999年 ，通過(guò) Ti:sapphire Nd:glass 激光系統(tǒng) 使峰值 功率 高于一千五百太瓦 的激光脈沖產(chǎn)生了 ,功率密度 在聚集 后 可以超過(guò) 7 1020 W/cm2，這 是 我們迄今為止能夠得到 的峰值功率最高的激光脈沖。 長(zhǎng)脈沖高能量放大系統(tǒng) 是第一個(gè)種類(lèi) 。一套鈦寶石激光器 所需要的使用面積是非常小的 ，幾乎等同于一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，袖珍型與 穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)讓普通的 實(shí)驗(yàn)室 同樣能夠進(jìn)行類(lèi)似實(shí)驗(yàn) 。 Ti:Sapphire晶體 是 摻 Ti3+種類(lèi)中被運(yùn)用的最頻繁的 放大介質(zhì) ， 擁有一百八納米這種較寬的 增益譜寬 ,高達(dá) 5J/cm2的 損傷閾值 ,還有優(yōu)良的 導(dǎo)熱 性能 ，都是它的優(yōu)勢(shì)。 當(dāng)前形勢(shì)下 ,摻 Nd3+和 Ti3+兩種介質(zhì) 是主要的 放大 的 。 在脈沖 經(jīng)過(guò) CPA 技術(shù)進(jìn)行 增強(qiáng) 的 情況下 ,得到 高峰值功率 是靠 放大介質(zhì) 來(lái)保障的 。 當(dāng)時(shí)間來(lái)都 1985年 后 , 激光脈沖 的增強(qiáng)運(yùn)用了 CPA 技術(shù) ，再 由于被日益改進(jìn) 的晶體生長(zhǎng)技術(shù) ，大量具有不錯(cuò)功能 的寬帶高增益放大介質(zhì) 被發(fā)現(xiàn)了 ，至此也快速增強(qiáng) 了 脈沖的峰值功率 ，使其突破到 1012W量級(jí) ，更有甚者邁入了 1015W量級(jí) 的門(mén)檻 。 啁啾脈沖放大 技術(shù) 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度高的峰值高的功率 ，重要 的原因是產(chǎn)生了 寬帶高增益介質(zhì) 與運(yùn)用 CPA 方法 。 Eiichi Matsubara等人 在兩千零七 年 實(shí)現(xiàn) 鈦寶石輸出脈沖 寬度為 五百納米，是通過(guò) 氬氣展寬 得到的 ,然后將其緊縮能夠獲取 一個(gè)周期 為二點(diǎn)六飛秒 的激光脈沖。納焦 為不超過(guò)一百 的飛秒脈沖 通過(guò) 腔倒空 射出被注入 到標(biāo)準(zhǔn)光纖 里 ， 寬帶的 延續(xù)不斷的 光譜 被取得是利用 自相位調(diào)制效應(yīng) 的原因 ，再通過(guò) 光柵對(duì)、棱鏡對(duì)及啁啾鏡的 結(jié)合緊縮 脈沖。 想要愈加短 的脈寬 能夠被得到 ， 腔外壓縮的 技術(shù)又被我們運(yùn)用 了。 另一方面 ，因?yàn)?鈦藍(lán)寶石激光器的 射出 激光 擁有不窄的 可調(diào)諧 領(lǐng)域 ， 基本上可以不間斷 調(diào) 節(jié)于 700～ 1000nm的 范圍 ， 13 故而 光學(xué)參量 和 倍頻放大等 方法的被運(yùn)用 ，早就 可以 從紫外到中紅外 不同的 波段 范圍里得到 飛秒脈沖。鎖模 的 自 發(fā)開(kāi)啟是需要 啁啾鏡技術(shù) 和 半導(dǎo)體可飽 和 SESAM的聯(lián)合才可以完成的，這種情況下 fs 的脈沖 被得到了 。 五飛秒的 脈沖 在 一九九九 年 就已經(jīng)被振蕩器實(shí)現(xiàn)了 ,而且也同樣早已有 了讓 京赫茲重復(fù)頻率 實(shí)現(xiàn)的 振蕩器 ，它的 重復(fù)頻率 很高的 。 將 啁啾鏡 和 棱鏡 對(duì)進(jìn)行比較，前者擁有三個(gè)非常突出的優(yōu)勢(shì)的 ，第一： 它 擁有 高 達(dá)百分之九十九的 反射率 ， 在 非常寬 的光譜 領(lǐng)域內(nèi)都是這樣 ，另一方面 在諧振腔內(nèi) 隨意位置都能夠設(shè)置 啁啾鏡 ， 腔形設(shè)計(jì)的 可變通性被大大增強(qiáng) 了 ；第二：利用 設(shè)計(jì)司在 比較大 的光譜 領(lǐng)域 內(nèi) 得到平順 的負(fù)群速色散 并且通過(guò) 晶體、介質(zhì)或自相位調(diào)制等引入的高階色散 ； 第三： 重復(fù)頻率 非常高的 飛秒激光脈沖 能夠被得到 。 因?yàn)?不可 能忽視 棱鏡 和 增益介質(zhì)引入的四階 和 三階色散對(duì) 小于 10fs的 脈沖寬度影響 的原因 ,讓 低于 10fs的脈沖寬度 非常困難的被利用 棱鏡 實(shí)行色散補(bǔ)償?shù)恼袷幤?所得到 。 我們把 KLM振蕩器 從 兩 個(gè)部分 進(jìn)行了 改進(jìn)，由此縮短了 脈沖寬度。 Ti:Sapphire、 Cr:LiSFA、 Yb:YAG、 Nd:glass、 Yb:KGW, Yb:GdCOB、 Yb:KYW、 Cr:Forsterire、Cr:YAG等主要是這些飛秒 的 激光介質(zhì) ， 具 有很寬的熒光譜寬 是 這些晶體 的共通特性 。 到 了 20世紀(jì) 80年代后期 ,由于日進(jìn)改善 的 晶體生長(zhǎng)技術(shù) ，一大波功效非常好 的非線性晶體 與 固體激光介質(zhì) 被發(fā)現(xiàn)了 ,飛秒激光器 主流的改進(jìn)趨勢(shì)變成了 固體激光器。鎖模技術(shù) 生成了 飛秒脈沖激光 ， 1976年 ，當(dāng) 飛秒激光脈沖輸出 被 人們 第一次 在染料激光器中實(shí)現(xiàn) 后 ， 飛秒激光技術(shù) 在世界范圍內(nèi)得到了快速地改進(jìn) ， 1982年的 R. 等人在 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室獲得 90fs 的光脈沖 是 在環(huán)形染料激光器中 第一次 運(yùn)用碰撞脈沖鎖模(Colliding Pulse Mode!locking,CPM)技術(shù) 實(shí)現(xiàn)的 ， 1985年美國(guó)的 爾實(shí)驗(yàn)室 將 可補(bǔ)償腔內(nèi)群速?gòu)浬⒌乃睦忡R結(jié)構(gòu) 引入 激光腔內(nèi) ， 27fs的光脈沖 被 獲得了。 （ 3） 平均功率的 N倍等于輸出脈沖的峰值功率 。 （ 2） 每個(gè)脈沖的寬度為 τ=T/ N ， 因?yàn)?N≈Δω/ω， T=2π/ω， 所以脈寬 τ～ 2π/Δω=1/Δν。如圖 所示 ， 在 t1時(shí)間內(nèi) 被 探測(cè)器接收到的是平均光強(qiáng) I 1 2220( ) ( ) 2Nt qqNEI E t E t d t??? ? ? ?? （ ）假如 設(shè) 定 每個(gè)縱模的振幅 Eq均相等 ,則 (2 1) / 2qI N E?? （ ） 然而， 如果 各縱模的初位相 有關(guān)聯(lián) ，即 1qqa??? ? ? ?常數(shù) （ ）我們來(lái)考察 它的 輸出特性會(huì)有 什么 明顯的變化。特別值得指出的是 ， 不同 的 縱模初相角 q? 相互 之 間是沒(méi)有固定關(guān)系的 ， 這是 由于 各縱模起 的 始躍遷是自發(fā) 而且 隨機(jī)的。 q? 代表 這個(gè)縱模的初相角。 一臺(tái)自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器 如果 回 想 一下 它的 的縱模 和 輸出 特征 。 [5] 鎖模的基本原理 大家都知道 ,一臺(tái)激光器的模式有縱模、橫模兩大類(lèi)。 應(yīng)用 摻雜稀土元素的 Si02當(dāng)做 增益介質(zhì)的光纖飛秒激光器 是 第四類(lèi)。多量子阱 資料具備 強(qiáng)的非線性增益飽 、 低色散、高增益、寬譜帶和 復(fù)原功夫快 等 長(zhǎng)處是重要的突破原因 。 應(yīng)用 多量子阱 (MQW)資源當(dāng)做 介質(zhì)的半導(dǎo)體飛秒激光器 是 第三類(lèi)。被動(dòng)鎖膜 是重要 技術(shù) 伎倆 ,在可飽和 匯集 染料 里 兩個(gè) 不 9 同目的傳達(dá) 的光脈沖的 CMP 技術(shù) 是重要的 技術(shù) 方法 。 [4] 圖（ a） 圖（ b） 圖 (c） 7 圖（ d） 圖（ e） 圖 調(diào) Q 原理圖 a)關(guān)閉狀態(tài) b)開(kāi)放狀態(tài) c)諧振腔損耗情況 d)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)情況 Q 開(kāi)關(guān)的 分類(lèi) 較多，主要有 運(yùn)用 電學(xué)控制全反射的受抑全內(nèi)反射 Q 開(kāi)關(guān) ；運(yùn)用 染料的飽和吸收原理的可飽和吸收 Q 開(kāi)關(guān) ；運(yùn)用 棱鏡全反射原理的機(jī)械轉(zhuǎn)鏡 Q 開(kāi)關(guān) ；運(yùn)用電光效應(yīng)的電光 Q 開(kāi)關(guān)以及利用聲光效應(yīng)的 Q 開(kāi)關(guān)等等， 如 圖 所示 上述五種 Q 開(kāi)關(guān)的原理結(jié)構(gòu)。 由于 雙變 N、 ? 都 被 這兩個(gè)微分方程中含有，所以 無(wú)法獲得準(zhǔn)確 的解析解。 綜合 ()()可 以知道 光子數(shù)密度 在 單位時(shí)間內(nèi)的變化量 為tdd?: td cl CNd L L? ? ????? （ ） 在 三能級(jí)系統(tǒng)或四能級(jí)系統(tǒng) 里面 ， 若 激光形成時(shí)間 比 激光下能級(jí)的弛豫時(shí)間 短 ， 則一旦形成 一個(gè)光子，上能級(jí)的粒子數(shù) 對(duì)應(yīng)會(huì) 減少一個(gè)，下能級(jí)粒子數(shù)每增加一個(gè)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù) 相應(yīng)會(huì) 減少二個(gè)。 由于這個(gè) 放大量是進(jìn)行在單程渡越時(shí)間 t=L/C 內(nèi)的， 則 光子數(shù)密度 在 單位時(shí)間內(nèi) 的增加為 : / / / clN L C NL?? ? ?? () 這個(gè)公式里 L 是 諧振腔的長(zhǎng)度 ； C 是 光速。激光器工作 的時(shí)候 ，受激輻射 是 最主要的過(guò)程。 如 圖 (e)所展示 了激光脈沖的形狀。 因?yàn)?(一般為數(shù)倍 )闕值粒子反轉(zhuǎn)數(shù) 小于 激光上下能級(jí)的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)， 故而會(huì)有很高的 工作物質(zhì)的光增益。后期光泵發(fā)出的光脈沖功率 應(yīng)該會(huì)非常 低， 這時(shí)應(yīng)該馬上 停止 繼續(xù) 積累，即 將 上能級(jí)的粒子數(shù)積累到最大值時(shí) (圖 中的 tm時(shí)刻 )。 以為這種情況不能形成 激光， 可以保留 和積累泵浦到上能級(jí)的粒子，當(dāng)光泵 一直 泵浦時(shí)，上能級(jí)上 之類(lèi) 的激光粒子數(shù) 會(huì) 越來(lái)越多。如圖 所示，我們?cè)O(shè)法 將 一個(gè)開(kāi)關(guān) (稱之為 Q 開(kāi)關(guān) )加入到 一個(gè)簡(jiǎn)單激光諧振腔內(nèi)， 由于 Q 開(kāi)關(guān)只有開(kāi)和關(guān)這兩類(lèi)情況 ，諧振腔 就會(huì)有低和高 兩種相應(yīng)的損耗就有 狀況 ，激光器的闕值 同樣會(huì) 有低和高兩種 狀況 。 故而 Q 值是一個(gè)可以 描述 諧振腔完成 振蕩難易程度的指標(biāo)。 在 激光技術(shù) 里 激光器諧振腔的光能損耗情況 我們 用 Q 來(lái)表示 ， 它的 定義為 : 2Q ??? 儲(chǔ) 存 在 腔 內(nèi) 的 能 量每 秒 損 耗 的 能 量 式中諧振腔內(nèi)振蕩的激光頻率 用 ν表示 ，腔的諧振圓頻率 用 2?? 表示 。 調(diào) Q技術(shù) 地 利用 能夠成功地將 上 面 兩 個(gè)目標(biāo) 完成。如何 可以得到很 強(qiáng)的光脈沖呢 ?相對(duì)于 激光器 來(lái)說(shuō)，首先要 讓很多 很多 的粒子數(shù)積累 在 激光上能級(jí)。但 是如果 我們把水池的堤壩筑得 很 高， 水庫(kù)就會(huì)擁有 很大的儲(chǔ)水量， 在 抽水機(jī)把水 庫(kù) 灌滿 之 后，頃刻間我們?cè)侔阉氐?水閘 都 打開(kāi)， 這種情況下 會(huì)出現(xiàn)水奔 涌而出 的壯觀 情況，不用 多久水池中的水 就都會(huì)被 放完 了 。水泵就 可以很快地 把 水庫(kù) 灌滿。 [3] 調(diào) Q技術(shù) 短脈沖激光主要由調(diào) Q 技術(shù)產(chǎn)生， 它的 原理 是這樣的 。 這類(lèi)激光器與 增益介質(zhì)的克爾效應(yīng) 密切聯(lián)系，所以被人們命名為 KLM，即 克爾透鏡鎖模 ，在 鈦藍(lán)寶石激光器的揩振腔 里應(yīng)用 棱鏡對(duì) 是飛秒脈沖可以被射出的重要原因，進(jìn)而 連續(xù)振蕩 的工作方式被 模式激光器 轉(zhuǎn)換成 鎖模 的工作方式，并且不需要其他幫助 。 遠(yuǎn)在二十年前早就開(kāi)始了對(duì)于 超短脈沖半導(dǎo)體激光的 研討，無(wú)法打破 皮秒量級(jí) 在非常漫長(zhǎng)的一段日子里一直困擾著我們，這個(gè)重大的問(wèn)題的解決要感謝于在半導(dǎo)體超短脈沖激光里應(yīng)用 多量子阱材料。 但是非常恒定的 SML 運(yùn)動(dòng) 被 固體飛秒激光器 完成了，它擁有 700nm～ ～ 波長(zhǎng)范圍，它還擁有能夠影響 紫外 的 二次諧波。被動(dòng)鎖膜 是最不可或缺的 技術(shù) 方法， 碰撞鎖模技術(shù) (CMP)是不可或缺的 技術(shù) 道路 。 應(yīng)用有機(jī)染料當(dāng)做介質(zhì)的飛秒激光器是第一類(lèi)。超快 事例的研討中它們是被利用最頻繁的 。 [2] 超短脈沖激光 在光學(xué)中超短脈沖 是的連續(xù) 時(shí)間在 飛秒（ 1015秒） 數(shù)量級(jí)或 者 更短 數(shù)量級(jí) 的電磁脈沖。另一方面 ， 物質(zhì) 和 超短超強(qiáng) 的 脈沖激光互相 影響， 相對(duì)論效應(yīng)是最 明顯的特征， 相對(duì)論非線性效 就這樣被觸發(fā)了，其中所談到或關(guān)聯(lián)的問(wèn)題是 阿秒 在 電子作相 對(duì)論運(yùn)動(dòng) 時(shí)被其產(chǎn)生 的物理 學(xué)方面的疑問(wèn) 。其他科學(xué)和超強(qiáng)超短脈沖激光的 相互結(jié)合 ,還有將其運(yùn)用 在不一樣領(lǐng)域 ，仍然是一個(gè)開(kāi)始階段與摸索階 3 段， 完好的理論 知識(shí)與完整 的鉆研辦法 都 沒(méi)有 定論 。通過(guò) 不同的 措施 ，例如 利用 不同的 頻率轉(zhuǎn)換 技術(shù) ， 改變激光介質(zhì) ，增強(qiáng) 飛秒激光的波長(zhǎng) 一直到 中紅外 和 遠(yuǎn)外方向 ，更有甚者還可以到達(dá) 軟 X 射線 ，讓它 符合 各種 學(xué)科的 運(yùn)用方法 ?！? 現(xiàn)在 ，發(fā)展 超短激光技術(shù) 重要的方向是：能夠突破 更短的脈寬 ，它的方法有 嘗試 利用 Ti:Sapphire 來(lái)得到三飛秒的 極限脈寬 ；努力將 新的技術(shù)、介質(zhì)與機(jī)理 探索出來(lái)， 成功進(jìn)入 阿秒 (1018s)時(shí)域 ； LD 泵浦的全固體飛秒激光器的 形成， 還有高功率的系統(tǒng) 與 飛秒光纖激光器。 超導(dǎo)脈沖激光