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超快激光发展历程及关键技术详解

导读: 1960年,第一台激光器--红宝石激光器问世为超快过程的研究打开了门户。

  1、超快过程的历史发展

  1960年,第一台激光器--红宝石激光器问世为超快过程的研究打开了门户。1961年,调Q技术在红宝石激光器上首次实现了脉冲宽度为几十纳秒的短激光脉冲输出,激光脉冲的脉宽甚至被缩短到10纳秒,调Q技术所能得到的脉冲宽度只能达到纳秒级,这是由于受到激光器腔长的限制(2L/c,L为激光器谐振腔长度,C是光速。1964年发展的相位锁定技术,将激光器各自独立振荡的多纵模型形成时间有序,锁模技术首次在氦氖激光器上实现主动锁模的纳秒级激光脉冲输出。两年后,在铷玻璃激光器上首次实现皮秒级的激光脉冲输出。20世纪60年代中期,红宝石激光锁模和钕玻璃激光锁模的发展,开始了皮秒时域的皮秒现象研究。1976年在宽带可调染料激光介质体系运用可饱和染料吸收体首次实现了亚皮秒的超短激光脉冲输出。

  20世纪80年代,超快光谱学发生了革命性的变化。对撞脉冲锁模(CPM)的概念引入了染料激光器,皮秒激光脉冲被压缩到了飞秒(fs)时域,产生了100 fs的脉冲。紧接着出现30 fs的脉冲。这是由一个环形激光器与染料放大器链相耦合,工作在620 nm波长获得的。克尔(Kerr)门技术的出现促进了超快光谱学包括超快荧光光谱学的发展。啁啾脉冲压缩技术的运用又将脉冲宽度压缩到20 fs乃 至6 fs。特别值得指出,超快过程的发展中钛宝石激光器担负着十分重要的角色,钛宝石材料是超短脉冲振荡器和放大器的重要增益介质,它能够在800 nm输出脉宽4~5 fs的超快脉冲。在近红外频区能实现20亚飞秒输出的材料则有Cr4+:YAG,Cr3+:LiSAF,Cr4+:镁橄榄石(M92Si04)。让我们比较和估算一下飞秒激光器的能量密度:一束大约20 fs脉宽的飞秒激光产生1J的能量,这种激光聚焦的峰值能流达到1020W/cm2。

  从红宝石激光器出现,借助重要的脉冲调Q,锁模和压缩技术,超快过程经历并实现了纳秒(1ns=10-9s)、皮秒(1ps=10-12s)、飞秒(1fs=10-15s)和阿秒(1as=10-18s)的发展过程。当采用太瓦(1012w)的激光激发时,可实现了亚阿秒(10-19s)的超短脉冲输出。理论上已经证明,如果用拍瓦(1015w)的激光激发时,能够产生仄秒(zeptosecond,10-21s)和亚仄秒(subzeptosecond,10-22s)的激光脉冲。

  2、超快过程的重要技术--脉冲调Q锁模和压缩

  所谓调Q就是指调节激光器的Q值的技术。在激光器泵浦的初期,把谐振腔的Q值调得很低,使激光器暂时不满足振荡条件,在泵浦脉冲的激励下获得很高的粒子数密度时,再迅速调大谐振腔的Q值,此时反转粒子数密度远大于阈值反转粒子数密度,激光振荡迅速建立并达到很高的峰值功率,同时反转粒子数迅速被耗尽,脉冲很快结束,这样就获得了具有窄脉冲宽度和大峰值功率的激光脉冲。利用调Q技术能够建立纳秒脉冲的输出。

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