1.3　飞秒激光的技术与特点

自20世纪开始，光学研究者们就一直面临着一个非常难以解决的问题——光源。当时的理论和实践研究中很难得到同时具备单色性与高亮度的光源，这也限制了一系列研究工作的进展。随着爱因斯坦光电效应和受激辐射理论的建立以及Arthur Schawlow等人微波激射器的发明，Theodore Harold Maiman于1960年5月16日利用闪光灯泵浦的红宝石产生了同时具有高相干性和高亮度的脉冲激光。由于其具有高光子简并度的巨大优点，激光技术一经面世就得到了光学领域的广泛关注和产生了新的研究方向，其中一个非常重要的研究方向就是如何获得具有更高峰值功率的脉冲激光，这样的想法促进了锁模脉冲技术的建立与发展。

从激光器的发明开始，光学研究者们就开始在激光器的设计和理论研究方面进行了各种尝试，同时也建立起了一套比较完备的激光器设计的理论基础，这为后来的锁模理论的产生打下了良好的基础。20世纪70年代中后期，多种激光脉冲理论被提出并逐步完善，其中最具代表性的就是各种锁模方式和理论（如主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模等）的提出。研究者们同时也将上述理论在具体实践中加以利用并搭建了输出脉宽在皮秒（10−12 s）量级的脉冲激光器，特别是从被动锁模激光器诞生之日起，在皮秒、亚皮秒、飞秒的超短光脉冲的脉宽新纪录的突破方面，被动锁模激光器一路领先，并广泛应用在染料激光器、固体激光器、光纤激光器等多种激光器中。早先的被动锁模激光器（主要是染料锁模激光器）获得了最大成功和最广泛的应用。20世纪六七十年代染料激光器的被动锁模集中在闪光灯抽运的脉冲运转方式，脉冲宽度为皮秒量级，运转波长多在蓝、绿光波段。1980年左右，碰撞脉冲锁模（Colliding Pulse Mode-Locking，CPM）激光器的出现，将超短脉冲技术从皮秒（10−12 s）和亚皮秒（<10−12 s）推进到了飞秒（1fs=10−15 s），成为超短脉冲激光技术发展的一个里程碑；其特殊结构和由此形成的特殊锁模机理，使得这种激光器能够稳定地运转在飞秒量级。当时由振荡器在中心波长630 nm处直接产生了脉冲宽度为27 fs的飞秒脉冲，而经腔外可以将脉冲压缩至6 fs，这一纪录保持了10年之久。

染料激光器机构复杂，调整困难，染料需要循环，而且具有毒性，虽然可以得到极窄的脉冲输出，却难以普及。20世纪90年代初，超短激光脉冲技术得到了非常迅猛的发展。在这一时期，飞秒激光的产生介质和原理都有了比较大的改进与发展：1990年，D. E. Spence等人通过利用Ar离子激光器泵浦掺钛蓝宝石（Ti: Sapphire）介质，成功地实现了利用非线性光学中的克尔透镜原理作为锁模机制的被动锁模激光器，得到了60 fs的激光脉冲输出，如此使得运转稳定、能够实现小型化和实用化的固体飞秒激光器进入了一个新的发展阶段。钛宝石具有超宽的增益线宽，使其可以支持短到4 fs的超短脉冲，正因如此，10多年来，由钛宝石振荡器直接产生的飞秒脉冲宽度不断被刷新。1993年，M. T. Asaki等人在掺钛蓝宝石激光器中采用石英棱镜进行色散补偿，得到了10.9 fs的脉冲输出。1994年，J. P. Zhou等人使用2 mm的钛宝石晶体和双石英棱镜对获得了8.5 fs的激光脉冲。1999年，U. Morger利用低色散棱镜对和一对啁啾镜对钛宝石激光器系统内的色散进行了补偿，使得其输出脉冲宽度可以被压缩至两个光学周期以内，其脉冲光谱宽度约为350 nm，重复频率为90 MHz，已经达到了当时飞秒激光器输出时域窄脉冲的极限。同年，A. V. Sokolov等人提出了利用超薄气体介质引起激光脉冲频率调制的理论，并估算出使用该方法能够产生小于1 fs的超短脉冲。

克尔透镜锁模（Kerr-lens Mode-locking，KLM）是一种利用非线性光学中的光学克尔效应（Optical Kerr Effect）对激光腔内模式进行锁定的技术。图1.15所示为典型的克尔透镜锁模的计算模型。克尔透镜效应是一种二阶电光非线性效应，最早由John Kerr于1875年发现。在较高的光子密度下，材料的折射率会随着强光电场的改变而出现明显的空间分布差异，与泡克耳斯效应（Pockel's Effect）的线性关系不同的是，克尔效应中光学参量的变化与电场强度呈二次方关系。大多数材料均可以观测到克尔效应，但只有少数的液体及其他材料能够表现出较强的非线性。克尔透镜锁模方式采用迄今为止响应速度最快、工作带宽最宽的类饱和吸收体，因此可产生宽度只有几个飞秒的光脉冲。如今，克尔透镜锁模的钛宝石激光器仍保持着被动锁模激光器最短脉冲纪录。

图1.15　典型的克尔透镜锁模的计算模型

与固体锁模激光器同步发展起来的掺Er3+、Yb3+光纤锁模激光器是一种新型超短脉冲光源，掺Er3+光纤锁模激光器的发射波长位于1 550 nm波段，被广泛应用于光通信；掺Yb3+光纤锁模激光器工作在1 060 nm波段，具有超过80%的抽运光−激光转化效率，多适用于开发高功率光纤激光器系统。从本质上讲，光纤激光器也属于固体激光器。然而，它具有很多块状或棒状固体激光器无可比拟的优势：（1）光束完全被封闭在纤芯中，不再受周围环境的影响。这将飞秒激光器从超净、恒温和防震的高级实验室中解放出来，使其适用于更多的复杂环境；而且对于具有全光纤结构的光纤激光器，可以省去空间光路的精密调节，结构紧凑、易于维护。（2）光纤具有很大的表面积−体积比，具有极好的散热效果，在大功率运转时甚至不需要冷却装置，实现了激光器的小型化。（3）光纤激光器可以获得衍射极限的光束质量。（4）光纤的单次通过增益高，具有最佳的抽运光−激光转化效率。光纤激光器具有比固体激光器更强的色散和非线性（克尔效应），使得光纤激光器与固体激光器相比具有更丰富的锁模机制，例如：利用在光纤激光器中插入半导体可饱和吸收镜（Semiconductor Saturable Absorber Mirror，SESAM）实现锁模的自启动；利用非线性偏转效应（Nonlinear Polarization Evolution，NPE）实现超宽脉冲的形成；利用在谐振腔呈反色散的情况下，光纤中色散与非线性效应平衡产生的光孤子效应实现脉冲宽度的压缩（即孤子锁模，Soliton Mode-Locking）等。图1.16所示为Er、Yb共掺二氧化硅的能级图，图1.17所示为包层泵送原理。泵浦激光耦合入光纤包层，通过包层传输泵浦激光，激励纤芯的掺杂的稀土离子，最终产生激光。

图1.16　Er、Yb共掺二氧化硅的能级图

图1.17　包层泵送原理

利用各种锁模技术和脉冲压缩技术，人们可以获得飞秒级的超短脉冲激光，这为微观世界的超快过程的研究提供了前所未有的可能性和广阔前景。但是，直接由锁模激光器输出的超短脉冲能量通常是很小的，一般在10−9 J量级或更小，这对利用物质非线性产生高次谐波以及拉曼效应等需要光脉冲峰值功率在106 W甚至108 W或109 W以上的应用是远远不够的。因此，在20世纪七八十年代，随着超短脉冲激光技术的不断完善及其应用的飞速发展，超短光脉冲放大技术也得到发展并逐渐成熟起来。其中，掺钛蓝宝石由于其非常宽的增益带宽和极大的调谐范围，在超短光脉冲放大技术中具有广泛的应用前景。1985年，G. Mourou等人借鉴了二战时期发展起来的啁啾雷达技术，并将这一思路应用在脉冲激光的放大中，提出了啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplifier，CPA）方案，使得放大后的脉冲功率迅速达到了太瓦（TW）量级，这项技术也于2018年获得了诺贝尔物理学奖。1991年，Sullivan等人利用四级钛宝石多通放大器构成的CPA系统，获得了重复频率为10 Hz、脉冲宽度为95 fs、单脉冲能量为450 mJ、峰值功率为3 TW的脉冲输出，由此飞秒激光进入太瓦时代。1998年，Charles G. Durfee等人利用多通放大技术获得了17 fs、输出峰值功率为0.26 TW的激光束。同年，Yamakawa等人利用两级钛宝石CPA系统获得了10 Hz、16 fs、160 mJ、10 TW的脉冲输出，之后他们在原有的放大系统上加以改进，采用三级钛宝石放大系统获得了10 Hz、19 fs、1.9 J、100 TW的脉冲输出。2003年，Aoyama等人在100 TW钛宝石CPA系统的基础上，又加上了一级倍频钕玻璃放大器抽运的大口径钛宝石三通放大器，得到了峰值功率达0.85 PW的脉冲输出。

使用条件较低、应用范围极广的光纤激光器由于早期受到光纤拉制工艺的限制，没有得到较多的发展，直到1986年南安普顿大学的S. B. Poole等人拉制出第一根低损耗掺Er3+增益光纤，才使得光纤放大器走向实用化。而在1988年Snitzer等人提出了双包层光纤，打破了光纤激光器低功率的桎梏，开创了大功率光纤激光器发展的新局面。1994年，H. M. Pask等人首先实现了掺Yb3+双包层激光器的运转，得到了最大功率为0.5 W的输出。2000年A. Galvanauskas首次获得了平均功率为10 W以上的飞秒光纤激光器，并且超过了当时钛宝石飞秒激光器系统的最高平均功率。而随着大模场面积光子晶体光纤的出现，飞秒光纤激光器的输出功率又获得了进一步提升。2005年Limpert小组利用掺YB的大模场面积双包层光子晶体光纤的CPA放大系统，得到了平均功率为131 W、重复频率为73 MHz、脉冲宽度为220 fs的输出。2007年，该小组又利用纤芯直径为80 μm的大模场面积光子晶体光纤得到了单脉冲能量为1.45 mJ、重复率为50 kHz、脉冲宽度为800 fs的输出，这是目前飞秒光纤激光器输出的最高单脉冲能量。以钛宝石和双包层掺杂光纤飞秒激光啁啾脉冲放大器为基础的高单脉冲能量、高峰值功率的飞秒激光系统被普遍应用于材料加工、生物光子学等领域。