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1960年，第一臺(tái)激光器--紅寶石激光器問(wèn)世為超快過(guò)程的研究打開(kāi)了門(mén)戶。1961年，調(diào)Q技術(shù)在紅寶石激光器上首次實(shí)現(xiàn)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(diào)Q技術(shù)所能得到的脈沖寬度只能達(dá)到納秒級(jí)，這是由于受到激光器腔長(zhǎng)的限制(2L／c，L為激光器諧振腔長(zhǎng)度，C是光速。1964年發(fā)展的相位鎖定技術(shù)，將激光器各自獨(dú)立振蕩的多縱模型形成時(shí)間有序，鎖模技術(shù)首次在氦氖激光器上實(shí)現(xiàn)主動(dòng)鎖模的納秒級(jí)激光脈沖輸出。兩年后，在銣玻璃激光器上首次實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)的激光脈沖輸出。20世紀(jì)60年代中期，紅寶石激光鎖模和釹玻璃激光鎖模的發(fā)展，開(kāi)始了皮秒時(shí)域的皮秒現(xiàn)象研究。1976年在寬帶可調(diào)染料激光介質(zhì)體系運(yùn)用可飽和染料吸收體首次實(shí)現(xiàn)了亞皮秒的超短激光脈沖輸出。
20世紀(jì)80年代，超快光譜學(xué)發(fā)生了革命性的變化。對(duì)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(shí)域，產(chǎn)生了100 fs的脈沖。緊接著出現(xiàn)30 fs的脈沖。這是由一個(gè)環(huán)形激光器與染料放大器鏈相耦合，工作在620 nm波長(zhǎng)獲得的。克爾(Kerr)門(mén)技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了超快光譜學(xué)包括超快熒光光譜學(xué)的發(fā)展。啁啾脈沖壓縮技術(shù)的運(yùn)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(guò)程的發(fā)展中鈦寶石激光器擔(dān)負(fù)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(zhì)，它能夠在800 nm輸出脈寬4～5 fs的超快脈沖。在近紅外頻區(qū)能實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生1J的能量，這種激光聚焦的峰值能流達(dá)到1020W／cm2。
從紅寶石激光器出現(xiàn)，借助重要的脈沖調(diào)Q，鎖模和壓縮技術(shù)，超快過(guò)程經(jīng)歷并實(shí)現(xiàn)了納秒(1ns=10-9s)、皮秒(1ps=10-12s )、飛秒(1fs=10-15s)和阿秒(1as=10-18s)的發(fā)展過(guò)程。當(dāng)采用太瓦(1012w)的激光激發(fā)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)了亞阿秒(10-19s)的超短脈沖輸出。理論上已經(jīng)證明，如果用拍瓦(1015w)的激光激發(fā)時(shí)，能夠產(chǎn)生仄秒(zeptosecond，10-21s)和亞仄秒(subzeptosecond，10-22s)的激光脈沖。
超快過(guò)程的重要技術(shù)--脈沖調(diào)Q鎖模和壓縮
所謂調(diào)Q就是指調(diào)節(jié)激光器的Q值的技術(shù)。在激光器泵浦的初期，把諧振腔的Q值調(diào)得很低，使激光器暫時(shí)不滿足振蕩條件，在泵浦脈沖的激勵(lì)下獲得很高的粒子數(shù)密度時(shí)，再迅速調(diào)大諧振腔的Q值，此時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度遠(yuǎn)大于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，激光振蕩迅速建立并達(dá)到很高的峰值功率，同時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)迅速被耗盡，脈沖很快結(jié)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(diào)Q技術(shù)能夠建立納秒脈沖的輸出。
鎖模(mode locking)是激光器產(chǎn)生超短脈沖的重要技術(shù)。激光器光腔內(nèi)存在多種模式的激光脈沖，當(dāng)這些模式相互間的相位實(shí)現(xiàn)相長(zhǎng)干涉時(shí)才產(chǎn)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(dòng)鎖模，另一類是被動(dòng)鎖模。前者是從外部向激光器輸入信號(hào)周期性地調(diào)制激光器的增益或損耗，達(dá)到鎖模；后者則采用飽和吸收器(例如一片薄的半導(dǎo)體膜)，利用其非線性吸收達(dá)到鎖定相對(duì)相位，產(chǎn)生超短脈沖輸出。
脈沖壓縮技術(shù)是克服材料折射率隨波長(zhǎng)變化引起的色散效應(yīng)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(xué)放大器的制作材料會(huì)產(chǎn)生高 階效應(yīng)，當(dāng)脈沖寬度增加時(shí)很難予以控制，需通過(guò)脈沖壓縮技術(shù)解決．脈沖壓縮 技術(shù)具有四種基本方法：第一種是平行光柵對(duì)壓縮器。它讓光束的長(zhǎng)波長(zhǎng)部分比短波長(zhǎng)部分通過(guò)更長(zhǎng)的光程，這樣倒轉(zhuǎn)了材料的色散效應(yīng)，成為脈沖放大器鏈的光柵延伸器。這種壓縮器在適當(dāng)?shù)拈g隔引入了負(fù)色散，其結(jié)構(gòu)緊湊，但光損失大(接近50％)，而且會(huì)引入高階色散。第二種是棱鏡對(duì)壓縮器。基本原理與光柵對(duì)類似，但是引人的負(fù)色散比前述的光柵型的小．假如當(dāng)兩個(gè)棱鏡之間的問(wèn)距足夠大時(shí)，材料的正色散能夠通過(guò)將一個(gè)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(zhǎng)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(gè)光腔系統(tǒng)幾乎沒(méi)有什么損失。值得指出：光柵對(duì)壓縮器和棱鏡對(duì)壓縮器引人了符號(hào)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(xiàng)。第三種是比較現(xiàn)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(gòu)成的，涂層的折射率呈臺(tái)階狀變化．這樣的結(jié)構(gòu)引入了負(fù)色散關(guān)系。鏡的正面好比透射光柵產(chǎn)生部分反射光，而鏡的背面產(chǎn)生布拉格反射。為了消除震蕩效應(yīng)，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(wǎng)止回漲伺覓常玩及射層．壓縮器不能對(duì)色散進(jìn)行調(diào)節(jié)，必須按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制作和精確地剪裁，并需由離子束濺射技術(shù)制造，因而價(jià)格相當(dāng)昂貴，使用尚不夠廣泛．第四種是采用新技術(shù)的微機(jī)械形變鏡壓縮器。除了帶寬限制脈沖外，有源器件如液晶調(diào)制器，聲光調(diào)制器，機(jī)械形變鏡(M2)等均能用來(lái)產(chǎn)生復(fù)雜的波形。
飛秒激光的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)
飛秒激光是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時(shí)間非常短，只有幾個(gè)飛秒，一飛秒就是10的負(fù)15次方秒，也就是1／1000萬(wàn)億秒，它比利用電子學(xué)方法所獲得的最短脈沖要短幾千倍，是人類目前在實(shí)驗(yàn)條件下所能獲得的最短脈沖。這是飛秒激光的第一個(gè)特點(diǎn)。飛秒激光的第二個(gè)特點(diǎn)是具有非常高的瞬時(shí)功率，可達(dá)到百萬(wàn)億瓦，比目前全世界發(fā)電總功率還要多出百倍。飛秒激光的第三個(gè)特點(diǎn)是，它能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域，使電磁場(chǎng)的強(qiáng)度比原子核對(duì)其周?chē)娮拥淖饔昧€要高數(shù)倍。
飛秒激光的這些特性是如何實(shí)現(xiàn)的呢？高功率飛秒激光系統(tǒng)由四部分組成：振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。在振蕩器內(nèi)，利用一種特殊技術(shù)獲得飛秒激光脈沖。展寬器將這個(gè)飛秒種子脈沖按不同波長(zhǎng)在時(shí)間上拉開(kāi)。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(huì)聚到一起，恢復(fù)到飛秒寬度，從而形成具有極高瞬時(shí)功率的飛秒激光脈沖。
飛秒激光在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)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?cè)缙谠\斷、醫(yī)學(xué)成象和生物活體檢測(cè)、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。
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