超快激光器先驱获2013年Arthur L. Schawlow奖

2013-06-14 09:09

　　超快超强激光与物质的相互作用过程中，随着激光强度的不断提高，各种非线性效应不断增强，出现了高次谐波、阈上电离、隧穿电离等现象，并且周期量级超短激光脉冲失去了波动现象所特有的周期性特征，从而导致一系列全新的物理现象与规律。它提供了一种新的实验工具应用于相干控制、非线形光学以及新近兴起的亚周期电子波包的控制等领域，并提供了一种新的时间测量尺度-阿秒，将可能对众多学科领域产生重要影响。

　　一、超快激光的定义

　　（1）具有极短的激光脉冲。脉冲持续时间只有几个皮秒或飞秒，其中: 1ps=10-12s，1fs=10–15s。

　　（2）具有极高的峰值功率。其电场远远强于原子内库仑场，具有极高的电场强度，足以使任何材料发生电离。

　　二、超快激光的加工特点

　　加工的“超精细”——超快激光能够聚焦到超细微空间区域，同时具有极高峰值功率和极短的激光脉冲，加工时切面整齐、无热扩散、无微裂纹及冶金缺陷，加工过程中不会对所涉及的空间范围的周围材料造成影响，从而做到了加工的超精细。

　　加工的“无热影响”——脉冲持续时间大于10ps的传统激光，与材料作用时，热过程将起到主要作用。脉冲持续时间小于10ps的超快激光，由于脉冲持续时间只有皮秒、飞秒量级，远小于材料中受激电子通过转移转化等形式的能量释放时间，能量来不及释放该脉冲已经结束，避免了能量的转移，转化以及热量的存在和热扩散，实现了真正意义上的激光“冷”加工。

　　三、技术优点

　　和传统激光相比，超快激光加工材料时存在的优势：

　　1、降低了材料的烧蚀阈值。

　　2、无等离子体屏蔽效应。

　　3、热影响区域小。

　　4、无材料损伤，无熔融区域，无微裂纹，无重铸层。

　　5、无飞溅物，无毛刺。

四、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。