激光是20世紀人類的重大發明之一，經過近60年的發展，已成為人們認識世界和改變世界的有力工具。由于其獨特的性能，激光又有“最亮的光”、“最準的尺”以及“最快的刀”等美譽，并與我們的生活息息相關，如人們熟知的激光眼科手術、激光打印、激光武器、光纖通信、激光美容、激光測距等等。在科研領域，與激光物理相關的研究是非常活躍的內容，不斷涌現出激動人心的發明和創造，與激光直接相關的諾貝爾獎已有十幾項之多。
2018年的諾貝爾物理學獎再一次頒給了從事激光技術研究的三位科學家：其中美國科學家阿瑟·阿斯金因為發明光鑷技術(OpticalTweezer)獲得一半獎金；法國科學家杰拉德·穆魯和加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭因為發明啁啾脈沖放大(ChirpedPulse Amplification，CPA)技術而分享另一半獎金。實際上這兩項發明相互之間沒有多大關聯，光鑷技術大多用到低功率的連續激光，而啁啾脈沖放大技術針對的則是峰值功率極高的超短脈沖激光。
超短脈沖激光，也被稱為超快激光。經過激光物理學家們的多年努力，超快激光技術已催生了多個嶄新的學科，為我們認識世界提供了前所未有的強大工具。
一、啁啾脈沖放大技術發明之前的超快激光
激光的英文名稱是LASER，全稱是Light Amplificationby Stimulated Emission of Radiation，從英文名稱的字面上解釋，就是通過受激輻射對光進行放大。在錢學森的建議下，LASER被翻譯成激光。自梅曼發明第一臺激光器迄今雖然已近60年，但激光器本身的基本結構變化不大，主要由增益介質、泵浦源和諧振腔三個部分組成。其中增益介質用于儲存泵浦源提供的能量；諧振腔讓光循環往復通過增益介質，從而將增益介質存儲的能量轉化為激光并輸出到腔外；諧振腔可以容納一系列分立的諧振頻率，這樣的諧振頻率被稱為激光的縱模。如果諧振腔中只有一個縱模起振，這種激光器稱為單縱模激光器，或者單頻激光器。如果讓多個縱模在諧振腔內起振，并且通過鎖模讓這些模式之間具有固定的相位關系，那么輸出的激光就是振幅隨時間變化的序列脈沖，這種脈沖激光人們稱之為鎖模激光。
鎖模是產生超快激光脈沖的關鍵技術。1964年，在美國貝爾實驗室工作的哈格羅夫、福克和波拉克率先報導了在氦氖激光器中實現的主動鎖模。6年之后，奎贊加和西格曼發展了主動鎖模理論，并獲得了關于脈沖寬度的解析解，表明脈沖寬度與調制頻率的平方根成反比。受限于調制頻率，即使在主動鎖模中使用高頻(10GHz以上)調制器，在時域上所形成的凈增益窗口一般在幾十皮秒(簡寫ps, 1ps=10-12秒，即萬億分之一秒)以上，因此難以獲得脈寬更短的飛秒(簡寫fs, 1fs=10-15秒)量級的超快光脈沖。
而另一種被動鎖模技術摒棄了主動器件，代之以稱為可飽和吸收體的被動器件。可飽和吸收體利用光和物質的某種非線性相互作用，使得在激光腔內運行的光脈沖功率高的部分經歷的損耗小于功率低的部分，從而脈沖經過可飽和吸收體之后被壓短。1972年，貝爾實驗室的伊彭、尚克和迪恩斯在染料激光器里實現了穩定的被動鎖模，獲得了長度為1.5ps 的光脈沖，這一實驗結果可謂拉開了超快光學的帷幕。
但被動鎖模激光器產生超短脈沖的機制一直不明確，直到在美國麻省理工學院工作的豪斯提出完整的被動鎖模理論。根據響應速度的快慢，豪斯將可飽和吸收體分為快可飽和吸收體和慢可飽和吸收體兩種。他在1975年發表兩篇理論文章，分別討論用這兩種飽和吸收體實現被動鎖模的物理機制。在理論指導之下，被動鎖模染料激光器的工作性能不斷獲得提高，所能產生的脈沖也越來越短。1981年，貝爾實驗室的福克等人發明了染料激光的碰撞脈沖鎖模(CPM)技術。他們通過特殊設計的環形腔Rh6G激光，使兩個相反方向運行的脈沖在飽和吸收體中相撞，第一次將人們所能得到的超短光脈沖寬度推進到小于100 fs，標志著飛秒時代的到來。飛秒激光的出現可以說是超快激光發展史上的重大里程碑。雖然人們利用摻釹的釔鋁石榴石晶體(Nd:YAG)、玻璃(Nd:glass)、色心等材料作為增益介質也先后實現了這些激光的主動或被動鎖模，但由于染料具有最寬的激光增益帶寬，理論上支持最短激光脈沖的產生，因此飛秒染料激光器也就成為當時飛秒技術及超快現象研究的首選激光器。進一步通過對CPM染料激光進行腔內色散補償并且利用外壓縮技術，1986年人們創造了6fs 的最短脈沖寬度紀錄，直到10年之后這一紀錄才被固體摻鈦藍寶石激光所打破。
在超快激光研究中，一個恒久追求的前沿就是如何產生更短的光脈沖。然而對于特定的激光，其光脈沖的寬度有一個下限，該下限由脈沖的光譜形狀及寬度決定；如果一個脈沖的寬度，即脈寬恰巧等于該下限，我們稱其為變換極限脈沖。變換極限脈沖是一個給定光譜寬度所能允許的最短脈沖，光譜越寬，對應的變換極限脈沖也就越短。簡而言之，產生更短光脈沖的關鍵在于獲得更寬的脈沖光譜。但是激光增益介質具有一定的帶寬，限制了鎖模脈沖的光譜寬度，也必然限制了所能獲得的變換極限脈沖的寬度。要想進一步縮短脈寬，必須想辦法展寬脈沖的光譜。
1966年，高錕預言石英光纖的損耗可以降到20 dB/km，從此拉開了光纖通訊的帷幕，也直接促進了非線性光纖光學這一學科的快速發展。1978年，在貝爾實驗室工作的斯竇倫等發現，將超短脈沖耦合到光纖中后，脈沖在傳輸過程中，會通過自相位調制這一非線性效應產生新的光譜成分，進而導致脈沖的光譜被展寬。由于光纖中的色散效應，該脈沖在時域上也被展寬了，比在光纖輸入端的脈沖還要寬。1982 年，該實驗室的尚克等人利用一對光柵補償光脈沖經過光纖之后產生的群延時色散，從而將脈沖壓縮到變換極限。由于脈沖的光譜已經被自相位調制所展寬，那么壓縮后的脈沖也就比入射到材料里的起始脈沖要短。他們利用該方案，將從CPM染料激光器輸出的90 fs 脈沖壓縮到了27 fs。
典型CPM飛秒染料激光器
激光脈沖與物質之間的相互作用依賴于光的峰值功率。由于超短激光脈沖將能量集中在很短的時間內，對應著非常高的峰值功率，因此能夠與物質進行非常強的非線性相互作用，從而直接催生了另外一門學科——極端非線性光學，極端非線性光學的發展，又反過來對超快激光脈沖的峰值功率提出了更高的要求。
激光脈沖的峰值功率正比于脈沖能量與脈沖寬度的比值。因此，除了不斷減小脈沖寬度外，增加脈沖能量也能有效提高脈沖的峰值功率。但由鎖模激光器直接產生的超快激光脈沖的能量一般都很低，增加脈沖能量需要利用后續的激光放大器來實現。與激光振蕩器相比，激光放大器一般只需要增益介質和泵浦源，通過不斷放大激光脈沖，可以將脈沖的峰值功率提高幾個數量級。但到20世紀70年代，這一方案遇到了瓶頸，因為當脈沖峰值功率被放大到兆瓦(1兆瓦等于1百萬瓦)量級后，會和增益介質本身產生非線性相互作用，所導致的自聚焦效應不但破壞光束質量，甚至損壞放大裝置。正是因為這一難以逾越的障礙，導致超快激光脈沖的峰值功率在長達10多年的時間里基本停滯不前，如何解決該難題，需要嶄新的激光放大技術
來源：常國慶1 魏志義1，2
1. 中國科學院物理研究所；2. 中國科學院大學
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