超快現(xiàn)象是指發(fā)生在物質(zhì)微觀體系中快速變化的物理、化學(xué)或生物過(guò)程。在原子分子體系中，原子及分子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度大約從皮秒（picosecond, 10-12秒）到幾十飛秒（femtosecond，10-15秒），如分子轉(zhuǎn)動(dòng)的周期約為皮秒量級(jí)，振動(dòng)的時(shí)間周期約幾百到幾十飛秒。而原子分子內(nèi)部電子以及與電荷轉(zhuǎn)移相關(guān)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間尺度則大約從幾十飛秒短至幾個(gè)阿秒（10-18秒），如分子軌道上電子的時(shí)間尺度為幾十飛秒，價(jià)帶和外殼層電子時(shí)間尺度約為幾十阿秒到飛秒量級(jí)，內(nèi)殼層電子則為幾個(gè)阿秒（attosecond，10-18秒），如圖1所示。
圖1.物質(zhì)微觀體系中各瞬態(tài)現(xiàn)象的時(shí)間尺度
對(duì)物質(zhì)微觀體系超快現(xiàn)象的研究不僅可以使我們認(rèn)識(shí)物質(zhì)的本質(zhì)，而且還可以發(fā)現(xiàn)控制和改變與物質(zhì)變化相關(guān)的瞬態(tài)過(guò)程從而產(chǎn)生新的物質(zhì)，更好地為人類服務(wù)。探索和控制物質(zhì)內(nèi)部的超快過(guò)程，就需要超短脈沖激光。所謂超短脈沖激光是指脈沖的持續(xù)時(shí)間（也就是脈沖時(shí)間寬度）相當(dāng)于或短于微觀體系中快速變化過(guò)程時(shí)間的激光束，即通常所說(shuō)的皮秒，飛秒或阿秒脈沖激光。超短脈沖激光之所以能用于瞬態(tài)現(xiàn)象的探測(cè)，是利用超短脈沖激光的持續(xù)時(shí)間非常短的特點(diǎn)，類似于高速照相機(jī)拍攝快速變化的過(guò)程，如見(jiàn)圖2所示的排球跳發(fā)球的過(guò)程，利用高速攝影機(jī)就可以將跳發(fā)球這個(gè)快速變化的過(guò)程分解為各個(gè)單獨(dú)的動(dòng)作。我們可以把激光脈沖當(dāng)作閃光燈，當(dāng)一個(gè)激光脈沖照過(guò)來(lái)時(shí)，相當(dāng)于閃光燈曝光一次，從而記錄一幅照片，當(dāng)一幅幅照片記錄下來(lái)，連續(xù)播放就可以顯示其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。激光脈沖的時(shí)間寬度決定了曝光時(shí)間，所以用超短脈沖激光可以觀察到物質(zhì)內(nèi)部原子、分子甚至電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
圖2，用高速相機(jī)拍攝排球跳發(fā)球的過(guò)程
超短脈沖激光是人們研究探測(cè)物質(zhì)微觀體系瞬態(tài)現(xiàn)象的唯一工具，目前最為成熟和廣泛使用的是飛秒激光和皮秒激光。作為超短脈沖激光研究最前沿的內(nèi)容，國(guó)際上有多個(gè)研究組也已實(shí)現(xiàn)了阿秒脈沖激光輸出。中國(guó)科學(xué)院物理研究所從1997年系統(tǒng)開(kāi)始了飛秒激光技術(shù)的發(fā)展研究，迄今已在飛秒激光的產(chǎn)生、放大、壓縮、同步、頻率擴(kuò)展及載波包絡(luò)相位測(cè)量與控制等方面取得了系列有重要影響的進(jìn)展，并建成當(dāng)時(shí)國(guó)際上峰值功率最高的1.16PW飛秒超強(qiáng)鈦寶石激光裝置及國(guó)內(nèi)首臺(tái)阿秒激光裝置。針對(duì)皮秒及飛秒激光的廣泛應(yīng)用，近年來(lái)在部分成果可靠性研究的基礎(chǔ)上，聯(lián)合鹽城物科光電有限公司進(jìn)一步研發(fā)了自動(dòng)控制的飛秒激光振蕩器、太瓦級(jí)高峰值功率飛秒激光器、高重復(fù)頻率飛秒激光放大器、寬調(diào)諧飛秒?yún)⒘考す馄鳌⒏咂骄β实娜虘B(tài)飛秒及皮秒激光器等器件，迄今已提供國(guó)內(nèi)外多家單位成功進(jìn)行了多項(xiàng)超快現(xiàn)象和強(qiáng)場(chǎng)物理相關(guān)的研究，顯示了國(guó)產(chǎn)超短脈沖激光產(chǎn)品在性能質(zhì)量及運(yùn)行維護(hù)方面的顯著優(yōu)勢(shì)，為國(guó)產(chǎn)超短脈沖激光的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展發(fā)揮了積極的作用。下圖是部分超短脈沖激光產(chǎn)品照片。
圖3.亞20fs一體化自動(dòng)控制飛秒鈦寶石激光振蕩器
圖4. 飛秒鈦寶石激光放大器（重復(fù)頻率1kHz, 單脈沖能量大于4mJ）
圖5. 光纖飛秒激光器
圖6. 全固態(tài)皮秒激光放大器
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