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详解超快激光发展历程与关键技术

导读: 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。

  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。

  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。

  锁模(mode locking)是激光器产生超短脉冲的重要技术。激光器光腔内存在多种模式的激光脉冲,当这些模式相互间的相位实现相长干涉时才产生激光超短脉冲或称锁模脉冲输出。锁模一般分为两类:一类是主动锁模,另一类是被动锁模。前者是从外部向激光器输入信号周期性地调制激光器的增益或损耗,达到锁模;后者则采用饱和吸收器(例如一片薄的半导体膜),利用其非线性吸收达到锁定相对相位,产生超短脉冲输出。

  脉冲压缩技术是克服材料折射率随波长变化引起的色散效应采取的措施.如果啁啾是线性的,则色散容易矫正.然而大部分光学放大器的制作材料会产生高 阶效应,当脉冲宽度增加时很难予以控制,需通过脉冲压缩技术解决.脉冲压缩 技术具有四种基本方法:第一种是平行光栅对压缩器。它让光束的长波长部分比短波长部分通过更长的光程,这样倒转了材料的色散效应,成为脉冲放大器链的光栅延伸器。这种压缩器在适当的间隔引入了负色散,其结构紧凑,但光损失大(接近50%),而且会引入高阶色散。第二种是棱镜对压缩器。基本原理与光栅对类似,但是引人的负色散比前述的光栅型的小.假如当两个棱镜之间的问距足够大时,材料的正色散能够通过将一个棱镜移入和移出光路获得平衡。棱镜的顶角切割成中心波长的偏离最小,而入射角呈布儒斯特角,使得线性偏振的菲涅耳(Fresnel)反射损失最小,整个光腔系统几乎没有什么损失。值得指出:光栅对压缩器和棱镜对压缩器引人了符号相反的三阶色散分量,如果两者一起使用可以抵消色散的高阶分量项。第三种是比较现代的双啁啾镜(DcM)压缩器。布拉格镜是由交替的Si02和Ti02涂层构成的,涂层的折射率呈台阶状变化.这样的结构引入了负色散关系。镜的正面好比透射光栅产生部分反射光,而镜的背面产生布拉格反射。为了消除震荡效应,将高折射率层的厚度做成锥形,镜子的正面涂有宽带抗反射层。镜于网止回涨伺觅常玩及射层.压缩器不能对色散进行调节,必须按标准进行制作和精确地剪裁,并需由离子束溅射技术制造,因而价格相当昂贵,使用尚不够广泛.第四种是采用新技术的微机械形变镜压缩器。除了带宽限制脉冲外,有源器件如液晶调制器,声光调制器,机械形变镜(M2)等均能用来产生复杂的波形。

  飞秒激光的特点和实现

  飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光,持续时间非常短,只有几个飞秒,一飞秒就是10的负15次方秒,也就是1/1000万亿秒,它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍,是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲。这是飞秒激光的第一个特点。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬时功率,可达到百万亿瓦,比目前全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是,它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域,使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。

  飞秒激光的这些特性是如何实现的呢?高功率飞秒激光系统由四部分组成:振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内,利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开。放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起,恢复到飞秒宽度,从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。

  飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是,由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性,它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。

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