激光技術是二十世紀與原子能、半導體及計算機齊名的科技四大發明之一，自1960年世界上第一臺紅寶石激光器問世以來，以激光器為基礎的激光技術在世界范圍內得到了迅速發展，廣泛應用于工業領域和科學研究，從方方面面走進了人們的生活。
與傳統長脈沖激光及連續激光不同，超快激光作為激光器家族的年輕成員，其高峰值功率和超短脈沖持續時間引起的非線性效應，不僅能夠作為物理、化學、生物、材料與信息科學等學科中的基本工具，揭示超快變化過程，直觀地探索微觀世界中粒子的超快動力學行為，而且能夠解決許多常規方法難以達到的高精尖實際應用問題。
與發展更為成熟的固體激光器相比，光纖激光器綜合性能更為優異，兼具高可靠性、優質光束質量、高穩定性、易與光纖系統兼容的性能優勢，和結構緊湊、易于維護、散熱性好的生產優勢，被譽為“第三代激光器”，承載著超快激光技術的未來。
超快光纖激光器的關鍵技術
◆鎖模啟動機制
超快激光一般指脈沖寬度在皮秒和飛秒量級的脈沖激光，鎖模技術作為激光器產生超短脈沖的重要技術，其理論基礎是在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關系，使不同模式的激光周期性的建立起相長干涉，從而產生脈沖激光。
圖 1：啁啾脈沖放大技術的原理（圖片來源：瑞典皇家理工學院）
光纖激光器的鎖模技術可分為主動鎖模和被動鎖模，其中被動鎖模無需外界調制元件，僅通過腔內光纖的克爾效應或者利用材料型的可飽和吸收體，即可實現脈寬很窄的超短脈沖，其得到更廣泛的應用。目前主流的鎖模啟動機制包括基于材料型可飽和吸收體的半導體可飽和吸收鏡、碳納米管、石墨烯、金屬納米顆粒等，和基于克爾效應的非線性光纖環路反射鏡、非線性放大環路反射鏡以及非線性偏振旋轉技術。
◆脈沖放大技術
超快光纖激光振蕩器輸出功率一般僅在幾毫瓦至百毫瓦量級，盡管飛秒脈寬的超短脈沖激光的峰值功率比長脈沖激光高出數個量級，在工業制造應用的驅動下，進一步提高激光峰值功率是激光技術領域的追求目標。然而隨著多級放大提高脈沖峰值功率，強度依賴的非線性克爾效應會導致光束質量的破壞甚至會損傷元件，激光強度的進一步發展遭遇巨大瓶頸。
直到1985年，GerardMourou和DonnaStrickland從微波放大技術中獲得啟示，提出了“啁啾脈沖放大（ChirpedPulseAmplification）技術”有效地解決了這一問題，兩位科學家憑借這一技術在2018年獲得諾貝爾物理學獎，是超快激光發展的里程碑。
啁啾脈沖放大過程就是將種子脈沖在一段很長的光纖中傳播，由于其頻譜包括不同的頻率分量，不同的頻率分量傳輸速度不同，因而在傳輸過程中脈沖寬度得到展寬，則相應的峰值功率得到了降低；然后將被展寬的脈沖進行放大，即可有效抑制非線性效應；放大之后再利用壓縮器將脈沖壓縮至原來的寬度。“啁啾管理”因此成為了高功率超快光纖激光的標準技術。近期，有學者提出了“預啁啾”放大技術，為飛秒脈沖放大提供了新的思路。
超快光纖激光器的應用優勢
超快光纖激光器作為新一代激光器，可以理解為超快技術與光纖激光的結合，結合了超快激光和光纖激光的雙重優勢。10年前，超快光纖激光器仍停留在基礎科研領域，運用于科研機構的實驗室中，在非線性光學、激光光譜學、精密光學測量、太赫茲等科研領域作為強有力的研究工具，起著重要作用。隨著超快光纖激光制造技術的快速發展，核心器件如泵浦源、雙包層光纖、光纖光柵等制造工藝的完善和成本的降低，超快光纖激光器在近年來走向市場，轉化落實在產業化應用中。
圖 2：超短脈沖激光與長脈沖激光的優勢對比（圖片來源：Amada Miyachi America Inc.）
以稀土元素摻雜的光纖作為激光增益介質的超快光纖激光器，由于光纖表面積大、易于散熱，能夠做到小型化、高效率且低成本，在實際應用中優勢凸顯。同時，超快激光與傳統長脈沖以及連續激光相比，具有獨特的優勢。由于超快激光與材料相互作用的時間極短，將能量極快地注入很小的作用區域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運動方式發生變化，在根本上避免了能量的轉移、轉化以及熱能的存在和熱擴散造成的影響，從根本上改變了激光與物質相互作用機制，在精密微加工、航空航天、消費電子、汽車制造、光伏能源等工業領域表現出色。
圖 3： (a) 德國 Menlo Systems 飛秒光纖激光器 (b) 武漢華銳飛秒光纖激光器
值得一提的是，光頻梳系統最早由極其龐大的鈦寶石系統構成，基本無法搬移。目前由于超快光纖激光器的普及，已經在體積和成本方面取得了巨大進步，這項諾獎技術已經為更多人提供了便利。同時，超快光纖激光器在生物醫療領域的應用日益廣泛，不僅可用于分子和亞細胞動力學的實時研究和外科手術，其非燒蝕損傷的特點更可用于我們熟知的近視治療與皮膚治療。近年來，紅外光纖、半導體光纖、光子晶體光纖等新型光纖的出現，為超快光纖激光器提供了更廣闊的舞臺。
超快光纖激光器的發展方向
超快光纖激光器作為諸多超快激光應用系統的核心部件，其性能是整個應用系統的首要限制因素。然而，目前超快光纖激光器在性能方面還有很多需要改善和提高的地方，因此其性能的提升仍舊是當前超快光纖激光器的研究方向之一。未來，更窄的脈沖寬度、更高的功率輸出、更高的重復頻率、脈沖形狀以及脈沖波長范圍的拓展等是研發人員關注的重點領域。只有當各個維度的性能整體穩步提升后，才能更好地滿足不同領域的應用需求。
提升超快光纖激光器的輸出脈沖性能，離不開從物理層面上系統地對超短脈沖的形成機理和動力學特性的研究。根據激光器脈沖整形機制的不同，大致可以分為傳統孤子、展寬孤子、耗散孤子和自相似子，通過數值模擬仿真和實驗驗證，對各種類型脈沖的形成機理和特性予以揭示，可以為設計高性能的光纖激光器提供新的視角和理論支持，具有深刻的物理學意義。
近期，借助于光通信領域的蓬勃發展，多模光纖再一次受到市場青睞。隨之而來的基于多模光纖的“時空鎖模”光纖激光器，成為學術研究的前沿。超快光纖激光始于“光纖的非線性”，發展于“光纖的非線性”，未來更為多樣化的超快光纖激光系統將有望問世。
當前全球超快光纖激光器市場蓬勃發展，主要市場仍由國外超快光纖激光器廠商主導，其中不僅包括傳統的激光行業巨頭，如美國Coherent、IPG、IMRA，丹麥NKTPhotonics，還有德國MenloSystems，法國Amplitude等超快光纖激光領域的后起之秀。國內在超快光纖激光器領域起步相對較晚，但在中央政府、科研機構以及企業近年來對超快光纖激光加大支持與投資力度之下，已經形成華中、珠三角、長三角、環渤海四大激光產業集中帶，包括華銳、安揚、大族、銳科、諾派等公司大力推進超快光纖技術的產業化，提升國內超快光纖激光產業競爭力，逐步實現量產打破國外企業在這一領域的壟斷。
隨著光纖制備成本的降低和種類開發的豐富，光纖器件的日益成熟，易于集成且具有高穩定性的超快光纖激光器的研發具有很高的現實意義。但是距離超快光纖激光器完全國產化還有一定的距離。目前雖然在基本的光纖器件領域中國的制造能力世界領先，然而包括增益光纖、飽和吸收體等核心器件還需要進一步摸索和探究。
如今，我國在增益光纖制備方面還需要進一步提升實力。主流的半導體飽和吸收鏡目前全球只有BATOP一家商用公司。雖然受制于國外的狀況較為明顯，但是國內在納米材料飽和吸收體方面后勁十足，這也為超快光纖激光器的未來國產化指明了方向。按照目前的發展速度，相信在未來三到五年，中國制造的超快光纖激光器將會在各個領域得到更為廣泛的商業應用，逐步取代鈦寶石激光器，登上激光器行業的主舞臺。
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