激光是20世紀(jì)人類的重大發(fā)明之一，經(jīng)過近60年的發(fā)展，已成為人們認(rèn)識世界和改變世界的有力工具。由于其獨(dú)特的性能，激光又有“最亮的光”、“最準(zhǔn)的尺”以及“最快的刀”等美譽(yù)，并與我們的生活息息相關(guān)，如人們熟知的激光眼科手術(shù)、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(lǐng)域，與激光物理相關(guān)的研究是非?；钴S的內(nèi)容，不斷涌現(xiàn)出激動人心的發(fā)明和創(chuàng)造，與激光直接相關(guān)的諾貝爾獎已有十幾項之多。
2018年的諾貝爾物理學(xué)獎再一次頒給了從事激光技術(shù)研究的三位科學(xué)家：其中美國科學(xué)家阿瑟·阿斯金因為發(fā)明光鑷技術(shù)(OpticalTweezer)獲得一半獎金；法國科學(xué)家杰拉德·穆魯和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭因為發(fā)明啁啾脈沖放大(ChirpedPulse Amplification，CPA)技術(shù)而分享另一半獎金。實際上這兩項發(fā)明相互之間沒有多大關(guān)聯(lián)，光鑷技術(shù)大多用到低功率的連續(xù)激光，而啁啾脈沖放大技術(shù)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(jīng)過激光物理學(xué)家們的多年努力，超快激光技術(shù)已催生了多個嶄新的學(xué)科，為我們認(rèn)識世界提供了前所未有的強(qiáng)大工具。
一、啁啾脈沖放大技術(shù)發(fā)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(jìn)行放大。在錢學(xué)森的建議下，LASER被翻譯成激光。自梅曼發(fā)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(jié)構(gòu)變化不大，主要由增益介質(zhì)、泵浦源和諧振腔三個部分組成。其中增益介質(zhì)用于儲存泵浦源提供的能量；諧振腔讓光循環(huán)往復(fù)通過增益介質(zhì)，從而將增益介質(zhì)存儲的能量轉(zhuǎn)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(nèi)起振，并且通過鎖模讓這些模式之間具有固定的相位關(guān)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(chǎn)生超快激光脈沖的關(guān)鍵技術(shù)。1964年，在美國貝爾實驗室工作的哈格羅夫、?？撕筒ɡ寺氏葓髮?dǎo)了在氦氖激光器中實現(xiàn)的主動鎖模。6年之后，奎贊加和西格曼發(fā)展了主動鎖模理論，并獲得了關(guān)于脈沖寬度的解析解，表明脈沖寬度與調(diào)制頻率的平方根成反比。受限于調(diào)制頻率，即使在主動鎖模中使用高頻(10GHz以上)調(diào)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(shù)摒棄了主動器件，代之以稱為可飽和吸收體的被動器件?？娠柡臀阵w利用光和物質(zhì)的某種非線性相互作用，使得在激光腔內(nèi)運(yùn)行的光脈沖功率高的部分經(jīng)歷的損耗小于功率低的部分，從而脈沖經(jīng)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(xiàn)了穩(wěn)定的被動鎖模，獲得了長度為1.5ps 的光脈沖，這一實驗結(jié)果可謂拉開了超快光學(xué)的帷幕。
但被動鎖模激光器產(chǎn)生超短脈沖的機(jī)制一直不明確，直到在美國麻省理工學(xué)院工作的豪斯提出完整的被動鎖模理論。根據(jù)響應(yīng)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(fā)表兩篇理論文章，分別討論用這兩種飽和吸收體實現(xiàn)被動鎖模的物理機(jī)制。在理論指導(dǎo)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(chǎn)生的脈沖也越來越短。1981年，貝爾實驗室的?？说热税l(fā)明了染料激光的碰撞脈沖鎖模(CPM)技術(shù)。他們通過特殊設(shè)計的環(huán)形腔Rh6G激光，使兩個相反方向運(yùn)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(jìn)到小于100 fs，標(biāo)志著飛秒時代的到來。飛秒激光的出現(xiàn)可以說是超快激光發(fā)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(zhì)也先后實現(xiàn)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(chǎn)生，因此飛秒染料激光器也就成為當(dāng)時飛秒技術(shù)及超快現(xiàn)象研究的首選激光器。進(jìn)一步通過對CPM染料激光進(jìn)行腔內(nèi)色散補(bǔ)償并且利用外壓縮技術(shù)，1986年人們創(chuàng)造了6fs 的最短脈沖寬度紀(jì)錄，直到10年之后這一紀(jì)錄才被固體摻鈦藍(lán)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(chǎn)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(yīng)的變換極限脈沖也就越短。簡而言之，產(chǎn)生更短光脈沖的關(guān)鍵在于獲得更寬的脈沖光譜。但是激光增益介質(zhì)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(jìn)一步縮短脈寬，必須想辦法展寬脈沖的光譜。
1966年，高錕預(yù)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(jìn)了非線性光纖光學(xué)這一學(xué)科的快速發(fā)展。1978年，在貝爾實驗室工作的斯竇倫等發(fā)現(xiàn)，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(diào)制這一非線性效應(yīng)產(chǎn)生新的光譜成分，進(jìn)而導(dǎo)致脈沖的光譜被展寬。由于光纖中的色散效應(yīng)，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(bǔ)償光脈沖經(jīng)過光纖之后產(chǎn)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(jīng)被自相位調(diào)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(zhì)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(nèi)，對應(yīng)著非常高的峰值功率，因此能夠與物質(zhì)進(jìn)行非常強(qiáng)的非線性相互作用，從而直接催生了另外一門學(xué)科——極端非線性光學(xué)，極端非線性光學(xué)的發(fā)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(chǎn)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(xù)的激光放大器來實現(xiàn)。與激光振蕩器相比，激光放大器一般只需要增益介質(zhì)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(shù)量級。但到20世紀(jì)70年代，這一方案遇到了瓶頸，因為當(dāng)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(zhì)本身產(chǎn)生非線性相互作用，所導(dǎo)致的自聚焦效應(yīng)不但破壞光束質(zhì)量，甚至損壞放大裝置。正是因為這一難以逾越的障礙，導(dǎo)致超快激光脈沖的峰值功率在長達(dá)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(shù)。
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