超快激光技术及其应用

超快激光是激光中的一种，是脉冲波在fs量级上的激光。飞秒（fs）是极短的时间单位，即10^-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已。在如此短的时间内产生的脉冲波，我们可以预料到一定有着许多有趣的性质，内为我们的科学实验带来许多帮助。

激光，顾名思义是“激发出来的光”，产生的物理基础是原子的受激辐射，这个过程是由爱因斯坦最早在1916年在理论上发现的。受激辐射概念刚提出时没有收到应有的重视，虽然1924年就有一位德国的科学家在实验上简介地证实了受激辐射的存在。但真正导致热门重新发掘受激辐射概念所隐含的巨大潜力是在二次世界大战之后，当人们企图将想干滇西波段从长波扩展到微波乃至光波是，发现只有借助于分子、原子这样的围观体系才能实现短波长的相干电磁波放大，爱因斯坦的受激辐射正是实现这种想干放大的物理机制。

要产生激光，需要解决两个矛盾。首先是受激辐射与受激吸收的矛盾。根据玻尔兹曼分布，热平衡的原子体系中总有低能级上的原子数多于高能级上的原子数，当光与体系发生相互作用时，由于吸收比受激发辐射显著，结果是将导致光信号的衰减。因此，产生激光的一个基本条件就是要实现体系中粒子数的反转。已处于粒子数反转的戒指叫做激活介质货增益介质，它具有对光信号的放大能力。为使粒子数反转，需一外界能源以适当的方式对原子体系产生作用（泵浦），此能源被称为泵浦源。产生激光所要解决的另外一个矛盾就是受激辐射与自发辐射的矛盾。在原子体系中，这两种过程同时存在，相互竞争。为产生激光，需使受激辐射处于优势地位。为此，需选择合适结构的光腔（或足够长的激活介质），在轴线方向的自发辐射通过反复增益获得较高的光场能量密度，从而得以受激辐射为主的输出。

激光与普通光源又极大的不同，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特征。在加工、存储、医疗、通信、雷达、科研、国防等领域有着极为广泛的应用。而飞秒激光作为一种特殊的激光，在各种性质加强后经历了量变到质变的过程，有着更为奇特的性质。

飞秒激光不是一直发射的，而是每个一段时间T发射的一个包络。其脉宽极短，每个脉宽持续的时间都在飞秒量级。此外，飞秒激光不再是单色的了，而是具有不同颜色成分。这与传统意义上的激光已经不同了。

超快激光具有极高的功率和功率密度，目前一个激光系统甚至可产生高达10¹⁵瓦的峰值功率，而全世界电网的平均功率只不过10¹²瓦数量级。如此高的功率下可以创造出许多极端的实验环境，如超强光场：10²¹ W/cm ，超强电场：> 10¹¹ V/cm，超强磁场：> 10⁹ G，超高加速度：10¹⁹  g，超高温：>10⁹  K，超高压: >  10⁸Bar 。这为我们研究极端条件下的物理现象提供可能。 近年来新型小型化超快激光技术的迅猛发展，为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件。这种在实验室中创造的极端物理条件，目前还只有在核爆中心、恒星内部、或是黑洞边缘才能找到。在当今超快激光技术已经提供并将由于其进一步发展而能提供的越来越强并越来越快的光场条件下，激光与各种形态物质之间的相互作用，将进入到前所未有的高度非线性与相对论性起主导作用的强场超快范围，并将进一步把光与物质的相互作用研究深入到更深的物质层次，甚至光与真空的相互作用，由此开创了超快激光这一全新的现代科学技术前沿领域。

近十几年来，由于啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification, 简称CPA)技术的提出和应用，宽带激光晶体材料（如掺钛蓝宝石）的出现，以及克尔透镜锁模技术的发明，使超快激光技术得到迅猛发展。小型化飞秒太瓦（10¹²瓦）甚至更高数量级的超快激光系统已在各国实验室内建成并发挥重要作用。最近，更短脉冲和更高功率的激光输出，如直接由激光振荡器产生的短于5飞秒的激光脉冲，小型化飞秒100太瓦级超快激光系统，以及CPA技术应用到传统大型钕玻璃激光装置上获得1拍瓦（ 10¹⁵瓦）级激光输出已有报道，激光功率密度达到10¹⁹ ～10²⁰ 瓦 /厘米² 的超快激光与物质相互作用研究也已开始进行。

传统的激光放大采用直接的行波放大，而对超短激光脉冲来说，随着能量的提高，其峰值功率将很快增加，并出现各种非线性效应及增益饱和效应，从而限制了能量的进一步放大。

CPA技术的原理是，在维持光谱宽度不变的情况下通过色散元件将脉冲展宽好几个数量级，形成所谓的啁啾脉冲。这样，在放大过程中，即使激光脉冲的能量增加很快，其峰值功率也可以维持在较低水平，从而避免出现非线性效应及增益饱和效应，保证激光脉冲能量的稳定增长。当能量达到饱和放大可获得的能量之后，借助与脉冲展宽时色散相反的元件将脉冲压缩到接近原来的宽度，即可使峰值功率大大提高。