人類社會的發(fā)展總是伴隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新。從中國古老的四大發(fā)明到公元十八世紀中葉的蒸氣機，從愛迪生的第一盞電燈到現(xiàn)在無所不在的網(wǎng)絡(luò)世界，科學(xué)技術(shù)承載著人類的夢想，不斷探索著未知世界。時間進入二十一世紀，人類對自然界的認識朝著細化、深入的方向不斷邁進。在對微觀世界的認識過程中，原有的技術(shù)手段漸漸顯露出了不足和先天性的弊端，越來越精細的需求使得人們又開始了新一輪的技術(shù)探索之旅。 _+7f+eB
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1917年，愛因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。1960年，美國人梅曼(T. H. Maiman)發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類有史以來的第一束激光。40年來，激光科學(xué)技術(shù)經(jīng)歷了長足的發(fā)展，逐漸成為一項推動人類社會向前的重要技術(shù)。二十世紀后期，超短超強激光一一飛秒激光的誕生為這門技術(shù)注入了新鮮的血液，大大拓展了應(yīng)用范圍，呈現(xiàn)出更為廣闊的研究前景。 6 n4S$a
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1.飛秒激光簡介及發(fā)展歷史 @XJv9aq
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飛秒是一個時間量級，具體講就是千萬億分之一秒(10-15s)。我們都知道光速V=3xl08m/s，即一秒內(nèi)可以傳輸三十萬公里，相當(dāng)于繞地球轉(zhuǎn)七圈半。如果給它乘上飛秒這樣一個時間級，那么，它能夠傳輸?shù)木嚯x就要用微米單位來衡量了。簡單來講，飛秒激光就是通過一系列技術(shù)手段在時間上將激光分解成以飛秒來衡量的若干小段。由于脈寬極窄，相對較低的脈沖能量就能夠獲得極高的峰值功率。未放大的飛秒激光脈沖可以達到兆瓦(MW)量級，放大后，峰值功率更可以達到1021W/cm2。這樣的電場強度相當(dāng)于氫原子束縛其核外電子庫侖場的上百倍。在這種電磁場的作用下，電子的振動能可達l0MeV。這樣強的激光與物質(zhì)互作用時，可以產(chǎn)生高次諧波、X射線、中子射線、1021g的加速度，等等。 '?[msX"aqa
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飛秒激光脈沖首先是在染料激光器中利用碰撞脈沖鎖模（CPM）的原理獲得的。 |LhuZ_;1xo
到 1985 年 R. L. Fork 等已經(jīng)獲得了 27fs 的短脈沖。1987 年，他們利用自相位調(diào)制（SPM）和光柵壓縮的原理，做到了短至 6fs 的脈沖。但是由于染料激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，染料一般采用噴流形成膜的方式，所以其操作性差，并且不利于小型化和實用化。 3 g!h4?^
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隨著 80 年代晶體生長技術(shù)的發(fā)展，以 1982 年問世的摻鈦藍寶石晶體（Ti:Sapphire）為代表，出現(xiàn)了多種性能優(yōu)良的固體激光晶體，為飛秒激光器的固體化，實用化奠定了基礎(chǔ)。1982 年，麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實驗室的Peter F. Moulton 第一次實現(xiàn)了以摻鈦藍寶石（Ti:sapphire，以下簡稱鈦寶石）作為工作介質(zhì)的激光器。染料激光器、倍頻 Nd: YAG 激光器、Ar+激光器等都可以作為鈦寶石激光器的泵浦源。在 80 年代后期，鈦寶石作為增益介質(zhì)開始在超短脈沖的產(chǎn)生中發(fā)揮了重大作用。 -#hl& ^u$
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這種晶體具有優(yōu)秀的物理性質(zhì)，它具有非常寬的發(fā)射帶寬（650nm～1200nm），增益帶寬的半寬度（FWHM）達到 230nm，理論上可以支持 3fs 的脈沖。其飽和通量為 0.9J/cm2，熱導(dǎo)率在 300K 時為 46W/mK，損傷閾值大于 5J/cm2 以及具有比較大的增益截面(~3×10-19cm2)等。這些性質(zhì)使其成為超短脈沖激光器理想的增益介質(zhì)。比起染料激光器，以鈦寶石為增益介質(zhì)的激光器具有較寬的調(diào)諧范圍，相當(dāng)于四～五種染料組合所覆蓋的波段。此外固體介質(zhì)的激光器還有結(jié)構(gòu)簡單，光束質(zhì)量高，運行可靠，可重復(fù)性好等優(yōu)點。 EkPSG&6RZ
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在鈦寶石激光器發(fā)展的初期，人們利用各種鎖模方法，在鈦寶石激光器中都得到了飛秒量級的脈沖輸出，如同步泵浦、聲光鎖模、被動鎖模、耦合腔鎖模、碰撞脈沖鎖模、種子注入等等。1991 年，英國 St.Andrews 大學(xué)的 D.E. Spence 等人以摻鈦藍寶石為增益介質(zhì)，用 SF14 玻璃的棱鏡對作為腔內(nèi)補償色散的元件，在 Ar+激光器全線泵浦下，采用通用的 Z 型腔結(jié)構(gòu)，不依賴于任何外加的鎖模元件，僅依賴鈦寶石晶體自身的克爾效應(yīng)（Kerr Effect），得到了 60 fs 的自鎖模脈沖輸出。該工作成為超快激光技術(shù)發(fā)展的一個里程碑。隨后美國 MIT的 Hause 于 1992 提出了克爾透鏡鎖模（Kerr Lens Mode-Locking, KLM）理論，揭示了摻鈦藍寶石激光器中的自鎖模機制。克爾透鏡鎖模理論認為，激光晶體的克爾非線性效應(yīng)使通過的激光束產(chǎn)生自聚焦現(xiàn)象，與激光腔內(nèi)的光闌結(jié)合等價于一個類似超快飽和吸收體的自振幅調(diào)制器。 同時，激光腔內(nèi)的棱鏡對引入凈負色散，補償腔內(nèi)其他器件帶來的色散，使得腔內(nèi)多個縱模之間的相位鎖定，從而實現(xiàn)鎖模，獲得脈寬極窄的超短脈沖。也正是這一鎖模機制的發(fā)現(xiàn)，使得鈦寶石飛秒脈沖激光器由振蕩器直接輸出的脈沖寬度在短短幾年的時間內(nèi)迅速減小，并于 2003 年達到 3.4 fs。
