人类社会的发展总是伴随着科学技术的创新。从中国古老的四大发明到公元十八世纪中叶的蒸气机，从爱迪生的第一盏电灯到现在无所不在的网络世界，科学技术承载着人类的梦想，不断探索着未知世界。时间进入二十一世纪，人类对自然界的认识朝着细化、深入的方向不断迈进。在对微观世界的认识过程中，原有的技术手段渐渐显露出了不足和先天性的弊端，越来越精细的需求使得人们又开始了新一轮的技术探索之旅。 yK"OZ2Mv
j[/'`1tOe
1917年，爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。40年来，激光科学技术经历了长足的发展，逐渐成为一项推动人类社会向前的重要技术。二十世纪后期，超短超强激光一一飞秒激光的诞生为这门技术注入了新鲜的血液，大大拓展了应用范围，呈现出更为广阔的研究前景。 \Yv<Tz J9
YM9oVF-
1.飞秒激光简介及发展历史 a7G0
K`PmWxNPh
飞秒是一个时间量级，具体讲就是千万亿分之一秒(10-15s)。我们都知道光速V=3xl08m/s，即一秒内可以传输三十万公里，相当于绕地球转七圈半。如果给它乘上飞秒这样一个时间级，那么，它能够传输的距离就要用微米单位来衡量了。简单来讲，飞秒激光就是通过一系列技术手段在时间上将激光分解成以飞秒来衡量的若干小段。由于脉宽极窄，相对较低的脉冲能量就能够获得极高的峰值功率。未放大的飞秒激光脉冲可以达到兆瓦(MW)量级，放大后，峰值功率更可以达到1021W/cm2。这样的电场强度相当于氢原子束缚其核外电子库仑场的上百倍。在这种电磁场的作用下，电子的振动能可达l0MeV。这样强的激光与物质互作用时，可以产生高次谐波、X射线、中子射线、1021g的加速度，等等。 xN t
m,n V,}@J
飞秒激光脉冲首先是在染料激光器中利用碰撞脉冲锁模（CPM）的原理获得的。 rN|c0N
到 1985 年 R. L. Fork 等已经获得了 27fs 的短脉冲。1987 年，他们利用自相位调制（SPM）和光栅压缩的原理，做到了短至 6fs 的脉冲。但是由于染料激光器结构复杂，染料一般采用喷流形成膜的方式，所以其操作性差，并且不利于小型化和实用化。 Qi^MfHW
X-di^%<
随着 80 年代晶体生长技术的发展，以 1982 年问世的掺钛蓝宝石晶体（Ti:Sapphire）为代表，出现了多种性能优良的固体激光晶体，为飞秒激光器的固体化，实用化奠定了基础。1982 年，麻省理工学院（MIT）林肯实验室的Peter F. Moulton 第一次实现了以掺钛蓝宝石（Ti:sapphire，以下简称钛宝石）作为工作介质的激光器。染料激光器、倍频 Nd: YAG 激光器、Ar+激光器等都可以作为钛宝石激光器的泵浦源。在 80 年代后期，钛宝石作为增益介质开始在超短脉冲的产生中发挥了重大作用。 `~( P
g
j`"|
这种晶体具有优秀的物理性质，它具有非常宽的发射带宽（650nm～1200nm），增益带宽的半宽度（FWHM）达到 230nm，理论上可以支持 3fs 的脉冲。其饱和通量为 0.9J/cm2，热导率在 300K 时为 46W/mK，损伤阈值大于 5J/cm2 以及具有比较大的增益截面(~3×10-19cm2)等。这些性质使其成为超短脉冲激光器理想的增益介质。比起染料激光器，以钛宝石为增益介质的激光器具有较宽的调谐范围，相当于四～五种染料组合所覆盖的波段。此外固体介质的激光器还有结构简单，光束质量高，运行可靠，可重复性好等优点。 H3 _7a 9
2tvMa%1^
在钛宝石激光器发展的初期，人们利用各种锁模方法，在钛宝石激光器中都得到了飞秒量级的脉冲输出，如同步泵浦、声光锁模、被动锁模、耦合腔锁模、碰撞脉冲锁模、种子注入等等。1991 年，英国 St.Andrews 大学的 D.E. Spence 等人以掺钛蓝宝石为增益介质，用 SF14 玻璃的棱镜对作为腔内补偿色散的元件，在 Ar+激光器全线泵浦下，采用通用的 Z 型腔结构，不依赖于任何外加的锁模元件，仅依赖钛宝石晶体自身的克尔效应（Kerr Effect），得到了 60 fs 的自锁模脉冲输出。该工作成为超快激光技术发展的一个里程碑。随后美国 MIT的 Hause 于 1992 提出了克尔透镜锁模（Kerr Lens Mode-Locking, KLM）理论，揭示了掺钛蓝宝石激光器中的自锁模机制。克尔透镜锁模理论认为，激光晶体的克尔非线性效应使通过的激光束产生自聚焦现象，与激光腔内的光阑结合等价于一个类似超快饱和吸收体的自振幅调制器。 同时，激光腔内的棱镜对引入净负色散，补偿腔内其他器件带来的色散，使得腔内多个纵模之间的相位锁定，从而实现锁模，获得脉宽极窄的超短脉冲。也正是这一锁模机制的发现，使得钛宝石飞秒脉冲激光器由振荡器直接输出的脉冲宽度在短短几年的时间内迅速减小，并于 2003 年达到 3.4 fs。
