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超快强激光及其应用——从2018年诺贝尔物理学奖谈起
关键词:超快强激光
2020-02-25

激光是20世纪人类的重大发明之一,经过近60年的发展,已成为人们认识世界和改变世界的有力工具。由于其独特的性能,激光又有“最亮的光”、“最准的尺”以及“最快的刀”等美誉,并与我们的生活息息相关,如人们熟知的激光眼科手术、激光打印、激光武器、光纤通信、激光美容、激光测距等等。在科研领域,与激光物理相关的研究是非常活跃的内容,不断涌现出激动人心的发明和创造,与激光直接相关的诺贝尔奖已有十几项之多。

2018年的诺贝尔物理学奖再一次颁给了从事激光技术研究的三位科学家:其中美国科学家阿瑟·阿斯金因为发明光镊技术(opticaltweezer)获得一半奖金;法国科学家杰拉德·穆鲁和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰因为发明啁啾脉冲放大(chirpedpulse amplification,cpa)技术而分享另一半奖金。实际上这两项发明相互之间没有多大关联,光镊技术大多用到低功率的连续激光,而啁啾脉冲放大技术针对的则是峰值功率极高的超短脉冲激光。

超短脉冲激光,也被称为超快激光。经过激光物理学家们的多年努力,超快激光技术已催生了多个崭新的学科,为我们认识世界提供了前所未有的强大工具。


一、啁啾脉冲放大技术发明之前的超快激光

激光的英文名称是laser,全称是light amplificationby stimulated emission of radiation,从英文名称的字面上解释,就是通过受激辐射对光进行放大。在钱学森的建议下,laser被翻译成激光。自梅曼发明第一台激光器迄今虽然已近60年,但激光器本身的基本结构变化不大,主要由增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分组成。其中增益介质用于储存泵浦源提供的能量;谐振腔让光循环往复通过增益介质,从而将增益介质存储的能量转化为激光并输出到腔外;谐振腔可以容纳一系列分立的谐振频率,这样的谐振频率被称为激光的纵模。如果谐振腔中只有一个纵模起振,这种激光器称为单纵模激光器,或者单频激光器。如果让多个纵模在谐振腔内起振,并且通过锁模让这些模式之间具有固定的相位关系,那么输出的激光就是振幅随时间变化的序列脉冲,这种脉冲激光人们称之为锁模激光。

锁模是产生超快激光脉冲的关键技术。1964年,在美国贝尔实验室工作的哈格罗夫、福克和波拉克率先报导了在氦氖激光器中实现的主动锁模。6年之后,奎赞加和西格曼发展了主动锁模理论,并获得了关于脉冲宽度的解析解,表明脉冲宽度与调制频率的平方根成反比。受限于调制频率,即使在主动锁模中使用高频(10ghz以上)调制器,在时域上所形成的净增益窗口一般在几十皮秒(简写ps, 1ps=10-12秒,即万亿分之一秒)以上,因此难以获得脉宽更短的飞秒(简写fs, 1fs=10-15秒)量级的超快光脉冲。

而另一种被动锁模技术摒弃了主动器件,代之以称为可饱和吸收体的被动器件。可饱和吸收体利用光和物质的某种非线性相互作用,使得在激光腔内运行的光脉冲功率高的部分经历的损耗小于功率低的部分,从而脉冲经过可饱和吸收体之后被压短。1972年,贝尔实验室的伊彭、尚克和迪恩斯在染料激光器里实现了稳定的被动锁模,获得了长度为1.5ps 的光脉冲,这一实验结果可谓拉开了超快光学的帷幕。

但被动锁模激光器产生超短脉冲的机制一直不明确,直到在美国麻省理工学院工作的豪斯提出完整的被动锁模理论。根据响应速度的快慢,豪斯将可饱和吸收体分为快可饱和吸收体和慢可饱和吸收体两种。他在1975年发表两篇理论文章,分别讨论用这两种饱和吸收体实现被动锁模的物理机制。在理论指导之下,被动锁模染料激光器的工作性能不断获得提高,所能产生的脉冲也越来越短。1981年,贝尔实验室的福克等人发明了染料激光的碰撞脉冲锁模(cpm)技术。他们通过特殊设计的环形腔rh6g激光,使两个相反方向运行的脉冲在饱和吸收体中相撞,第一次将人们所能得到的超短光脉冲宽度推进到小于100 fs,标志着飞秒时代的到来。飞秒激光的出现可以说是超快激光发展史上的重大里程碑。虽然人们利用掺钕的钇铝石榴石晶体(nd:yag)、玻璃(nd:glass)、色心等材料作为增益介质也先后实现了这些激光的主动或被动锁模,但由于染料具有最宽的激光增益带宽,理论上支持最短激光脉冲的产生,因此飞秒染料激光器也就成为当时飞秒技术及超快现象研究的首选激光器。进一步通过对cpm染料激光进行腔内色散补偿并且利用外压缩技术,1986年人们创造了6fs 的最短脉冲宽度纪录,直到10年之后这一纪录才被固体掺钛蓝宝石激光所打破。

在超快激光研究中,一个恒久追求的前沿就是如何产生更短的光脉冲。然而对于特定的激光,其光脉冲的宽度有一个下限,该下限由脉冲的光谱形状及宽度决定;如果一个脉冲的宽度,即脉宽恰巧等于该下限,我们称其为变换极限脉冲。变换极限脉冲是一个给定光谱宽度所能允许的最短脉冲,光谱越宽,对应的变换极限脉冲也就越短。简而言之,产生更短光脉冲的关键在于获得更宽的脉冲光谱。但是激光增益介质具有一定的带宽,限制了锁模脉冲的光谱宽度,也必然限制了所能获得的变换极限脉冲的宽度。要想进一步缩短脉宽,必须想办法展宽脉冲的光谱。

1966年,高锟预言石英光纤的损耗可以降到20 db/km,从此拉开了光纤通讯的帷幕,也直接促进了非线性光纤光学这一学科的快速发展。1978年,在贝尔实验室工作的斯窦伦等发现,将超短脉冲耦合到光纤中后,脉冲在传输过程中,会通过自相位调制这一非线性效应产生新的光谱成分,进而导致脉冲的光谱被展宽。由于光纤中的色散效应,该脉冲在时域上也被展宽了,比在光纤输入端的脉冲还要宽。1982 年,该实验室的尚克等人利用一对光栅补偿光脉冲经过光纤之后产生的群延时色散,从而将脉冲压缩到变换极限。由于脉冲的光谱已经被自相位调制所展宽,那么压缩后的脉冲也就比入射到材料里的起始脉冲要短。他们利用该方案,将从cpm染料激光器输出的90 fs 脉冲压缩到了27 fs。

典型cpm飞秒染料激光器

典型cpm飞秒染料激光器

激光脉冲与物质之间的相互作用依赖于光的峰值功率。由于超短激光脉冲将能量集中在很短的时间内,对应着非常高的峰值功率,因此能够与物质进行非常强的非线性相互作用,从而直接催生了另外一门学科——极端非线性光学,极端非线性光学的发展,又反过来对超快激光脉冲的峰值功率提出了更高的要求。

激光脉冲的峰值功率正比于脉冲能量与脉冲宽度的比值。因此,除了不断减小脉冲宽度外,增加脉冲能量也能有效提高脉冲的峰值功率。但由锁模激光器直接产生的超快激光脉冲的能量一般都很低,增加脉冲能量需要利用后续的激光放大器来实现。与激光振荡器相比,激光放大器一般只需要增益介质和泵浦源,通过不断放大激光脉冲,可以将脉冲的峰值功率提高几个数量级。但到20世纪70年代,这一方案遇到了瓶颈,因为当脉冲峰值功率被放大到兆瓦(1兆瓦等于1百万瓦)量级后,会和增益介质本身产生非线性相互作用,所导致的自聚焦效应不但破坏光束质量,甚至损坏放大装置。正是因为这一难以逾越的障碍,导致超快激光脉冲的峰值功率在长达10多年的时间里基本停滞不前,如何解决该难题,需要崭新的激光放大技术。




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