激光风云——人类奇迹之超强超短脉冲激光

激光，受激辐射放大的光，其原理是原子中的电子吸收能量后，从低能级跃迁至高能级，为了实现体系稳定，再次从高能级的回落到低能级时，能量以光子的形式释放出来。因被激发出来的光子的光学特性高度一致。所以激光相比普通的光就具有单色性好、方向性强、相干性好、高亮度等特点。自1960年第一台红宝石激光器诞生以来，研究者都在探寻更大更强更好性能的激光，正所谓没有最大最强最好，只有更大更强更好。

超强超短激光也叫超快激光就是一个典型，更是一个人类奇迹，超快激光是指具有极短脉冲宽度的激光束，其脉冲宽度通常在飞秒（10^-15秒）或皮秒（10^-12秒）的时间尺度内当然阿秒也属于是超快的范畴。顾名思义其最大特点是“超强”和“超短”。“超强”是指这种激光的峰值功率一般大于1太瓦（TW）（1TW=10^12W），这一功率相当于全球所有发电机同时开动的总功率。甚至达到1拍瓦（PW）（1PW=10^15W)，什么概念呢？相当于它的聚焦强度比把太阳辐射到地球上的所有光聚焦到针尖大小之后更高。“超短”是指这种激光持续的时间很短，即脉宽达到了飞秒量级（1飞秒等于1千万亿分之一秒），同样什么概念呢？即使是每秒飞行30万千米的真空中的光，这么短的时间内，也只能走300纳米也就是只能走一根头发丝粗细的距离，不仅人眼无法识别，就连光电探头也无法分辨。本文通过历史演进、原理和特点、应用、展望等4部分的探讨，通过探讨上述内容可以更好地理解这一引人注目的科技如何从最早的激光技术逐步演变而来。以及从材料科学到生命科学，从医学到量子技术的应用。未来的展望也可以窥见超快激光技术的前景，包括其在更短时间尺度和更高功率方面的进一步突破。

• 历史演进

超快激光的发展历程可以追溯到激光技术的早期阶段，逐步走过纳秒、皮秒、飞秒，甚至到达阿秒的奇妙时代，经历了多个关键阶段的演进。以下是超快激光发展历程的详细描述：

1. 早期激光技术（1960s – 1980s）

在激光技术最早的发展阶段，产生的激光脉冲持续时间较长，通常在纳秒量级。这种纳秒激光广泛用于多个领域，如通信、激光切割和激光雷达等。然而，科研人员迅速意识到，纳秒激光技术在研究光与物质相互作用时存在时间分辨率不足的问题。

2. 飞秒激光的出现（1980s – 1990s）

飞秒激光技术的出现标志着超快激光领域的重大突破。通过使用共振腔增益和非线性光学效应等方法，科研人员成功地产生了飞秒脉冲，其持续时间在飞秒（10^-15秒）量级。这种飞秒激光技术允许科研人员在原子和分子尺度上观察和操控光与物质之间的相互作用过程，进一步提高了时间分辨率。

3. 飞秒激光应用的扩展（2000s – 2010s）

随着技术的进一步发展，飞秒激光技术的应用范围不断扩展。在材料科学领域，飞秒激光被用于纳米制造、表面改性等应用。在生命科学领域，飞秒激光用于生物分子结构研究、细胞成像等。此外，医学领域也开始采用飞秒激光进行激光手术和治疗。

4. 阿秒激光的突破（2010s – 至今）

在21世纪初期，阿秒（10^-18秒）激光技术的突破引起了广泛关注。科研人员克服了许多技术难题，成功地实现了阿秒激光的产生。这使得科研人员能够在更小的时间尺度上研究光和物质之间的相互作用，探索原子和分子的内部运动。

• 原理和特点

超快激光独有的“浪漫”包括超短的脉冲时长和极高的峰值功率。随着脉冲能量的急剧提升，产生的高功率密度足以剥离物质的外层电子。由于激光与物质的相互作用时间极短，离子在将能量传递到周围材料之前就已从表面被蒸发，从而避免了对周围物质的热影响，这也被称为“冷加工”。这种过程不会引起加工表面的熔化或裂缝产生。因其高精度、高质量和高分辨率的特性，加工区域能够小于焦斑尺寸，实现了对衍射极限的突破。超快激光的原理涉及到光的非线性效应、模式锁定、激光放大、压缩技术和光学频率梳等关键步骤和概念。

1. 光的非线性效应：在普通连续波激光器中，光的传播遵循线性光学效应，如吸收和自发辐射。然而，当光的强度足够高时，光与物质之间的相互作用可能会引发非线性光学效应，例如光的频率混频、自相位调制等。这些非线性效应可以导致脉冲的压缩和频率调制，从而产生超快脉冲。

2. 模式锁定：超快激光通常通过模式锁定的方式产生。模式锁定是一种通过引入适当的非线性效应和适当的自调制（self-phase modulation）来实现的技术，以确保激光脉冲的相位和频率在稳定状态下保持锁定。

3. 飞秒激光器：超快激光通常是由飞秒激光器产生的，这种激光器能够产生飞秒级别的超短脉冲。飞秒激光器通常包括一个光学腔，其中包含一段激光介质（例如Ti：蓝宝石晶体），以及用于产生非线性效应的光学元件，如非线性晶体。

4. 放大和压缩：初始产生的超快脉冲可能相当宽，需要经过放大和压缩步骤来获得更短的脉冲宽度。通常，脉冲首先被放大，然后通过非线性晶体引发自发辐射和频率混频等效应，从而使脉冲宽度变窄。

5. 光学频率梳：超快激光可以通过光学频率梳技术进一步实现频率的稳定性和精确性。光学频率梳是一种能够在频率上均匀分布的非常短脉冲中产生一系列非常准确的频率。这对于光谱学和精确测量非常有用。

为了实现超快激光的这两个特点，主要是靠三大核心技术：调Q技术、锁模技术、CPA技术帮忙。调Q技术产生的脉冲激光一般在纳秒量级，而锁模技术实现的激光是皮秒量级，更高量级的飞秒激光通过CPA(啁啾脉冲放大技术)实现。

调Q技术（Q-switching）是一种用于激光器中控制和产生脉冲激光的技术。它能够生成非常高峰值功率的脉冲，通常用于产生高能量、短脉冲宽度的激光，如固体激光器和纤维激光器。这种技术的名称“调Q”来自于调制激光腔的质量因子 Q，它是激光腔中储存能量的能力的度量。在调Q技术中，通过控制激光腔中的损耗，可以在腔内累积大量的能量，然后突然释放出来，产生短脉冲的高能量激光。这与连续波激光器不同，后者会持续地发射能量。简单来说，Q值大小是由腔内损耗和反射镜光学反馈能力两个因素所决定的；Q值愈高,所需要的泵浦阈值就越低，即激光愈容易起振。在一般的脉冲固体激光器的情况下，若不采用特殊的技术措施，脉冲激光在腔内的振荡持续时间，与光泵脉冲时间（毫秒量级左右）大致相同，因此输出激光的脉冲功率水平亦总是有限的。如果采用一种特殊的技术，使光泵脉冲开始后相当长一段时间内，有意降低共振腔的Q值而不产生激光振荡,则工作物质内的粒子数反转程度会不断通过光泵积累而增大；然后在某一特殊选定的时刻，突然快速增大共振腔的Q值,使腔内迅速发生激光振荡，积累到较高程度的反转粒子数能量会集中在很短的时间间隔内快速释放出来，从而可获得很窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出。调Q技术的基本原理包括以下几个步骤：

1. 能量累积：在激光腔中引入一个可变的光学损耗元件，例被称为Q开关的器件。这会导致激光腔中的能量不断积累，因为激光无法从腔中逃逸。

2. 建立反射：能量累积到足够高的水平后关闭Q开关，即增大腔内的光学反射。这导致激光腔中的能量在极短的时间内迅速释放，产生脉冲激光。

3. 脉冲产生：能量的突然释放导致脉冲激光的产生。由于能量累积阶段，脉冲的峰值功率可以非常高，因此产生的脉冲通常具有很高的能量和较短的脉冲宽度。

锁模技术（Mode Locking）是一种用于激光器的技术，旨在产生非常短、高能量、高峰值功率的脉冲激光。这种技术通常用于产生飞秒（10^-15秒）级别的脉冲，可以在超快激光器中实现，如飞秒激光器、甚至更快的飞秒级激光器。在锁模技术中，激光器的光场被强制锁定到特定的振荡模式，从而使光的频率和相位保持非常稳定。这样一来，产生的脉冲能够在极短的时间尺度内重复，并且脉冲之间的相位关系保持恒定。锁模技术的应用广泛，尤其在超快激光技术中。实现锁模的方法有很多种，但一般可以分成两大类：即主动锁模和被动锁模。主动锁模指的是通过由外部向激光器提供调制信号的途径来周期性地改变激光器的增益或损耗从而达到锁模目的;而被动锁模则是利用材料的非线性吸收或非线性相变的特性来产生激光超短脉冲。锁模技术的基本原理包括以下几个关键步骤：

1. 模式选择：在激光腔中引入适当的光学元件，如分束器、反射镜、非线性晶体等，以强制激光场只保持在特定的振荡模式上。

2. 自发辐射：在激光腔中，光的非线性效应会导致自发辐射，即原子或分子在受激辐射之前自发地发射光子。这些自发辐射光子可以与激光场进行相互作用，从而调制光场的频率和相位。

3. 相位同步：通过自发辐射和光场的相互作用，激光场的相位逐渐被同步到特定的相位关系，从而形成锁定的状态。

4. 脉冲形成：在锁定的状态下，激光场会以非常高的频率振荡，产生非常短的脉冲。这些脉冲通常具有非常高的峰值功率和高能量，因为能量被集中在极短的时间尺度内。

啁啾技术（Chirped Pulse Amplification，简称CPA）是一种用于超快激光脉冲放大的技术，通常与飞秒激光器一起使用。它的主要目标是在保持高峰值功率的同时，将宽脉冲（带有频率啁啾，即频率扫描）变窄，从而获得非常短的、高峰值功率的超快脉冲。其实可以简单概括为展-放-压三个阶段，“展”过程——初始阶段利用展宽器对激光进行色散，使得其在初始脉冲进入增益介质放大之前将其展宽，一束激光出射经过一个半反半透镜，透过的光束经过反射镜照射在光栅上进行分光，于是不同波长的光束就被分散开，脉冲中低频成分走的路径要比高频成分要短，脉冲在时间上被拉宽，峰值功率得到降低。为了使展宽效果更明显，我们再用一个光栅进行反射，通过反射镜使光原路返回，这使得不同波长的光经过的光程差增大。“放”过程——此时的脉冲脉宽较长，并且峰值功率较低，我们将其送入激光谐振腔，于是展宽脉冲进入增益介质得到放大，由于脉冲已被展宽，因此可以提取更多的能量而不致使增益介质发生损伤。“压”过程——在得到频谱较宽并且能量较大的脉冲后，我们使光束再次经过光栅组合（压缩器）进行色散，此时的压缩器的色散与展宽器的色散极性相反，即光程差与通过展宽器分光时正好相反，放大脉冲中的啁啾可被部分或全部补偿。这项技术在 2018 年获得了诺贝尔物理学奖，因为它在激光科学和超快光谱学方面产生了重大影响。通过这些步骤，啁啾技术能够在超快激光器中产生高峰值功率、短脉冲宽度的超快脉冲。这些脉冲在科学研究和应用领域中具有重要意义，如超快光谱学、精密测量、材料加工等。啁啾技术的基本原理涉及以下几个关键概念：

1.啁啾：啁啾是指光脉冲的频率在时间内的变化。在超快激光中，脉冲的频率可以随时间发生变化，即在光谱上呈现为频率扫描。这种频率变化可能是线性的或非线性的，可以通过光学元件进行调控。

2.脉冲压缩：初始产生的超快脉冲可能相对宽，具有一定的啁啾。通过使用光学元件，如光栅、光纤等，可以将脉冲进行啁啾压缩，使其在时间和频率上变窄。这种压缩过程能够保持高峰值功率。

3.放大器：压缩过的脉冲被输入到放大器中，例如飞秒激光放大器。在放大器中，脉冲的能量得以显著增加，同时保持压缩后的窄脉冲宽度。

• 多领域应用

超快激光技术在不同领域的应用从材料科学中的纳米制造到生命科学中的蛋白质折叠研究，再到医学中的激光手术和量子技术中的量子通信，超快激光技术正日益在众多领域中发挥着关键作用。独特的时间分辨率和高峰功率使其在许多领域中具有广泛的应用，以下是一些超快激光应用示例。

1.光谱学研究： 超快激光可用于探测分子和材料的电子结构、振动模式和动力学过程。通过制造飞秒脉冲的激光，研究人员能够捕捉化学反应和分子运动的超快动态过程。

2.生物医学影像：超快激光在生物医学领域中有广泛应用。飞秒激光脉冲可以用于显微镜成像，例两光子激发荧光显微镜，能够提供更深入的组织成像而不损伤样本。这种技术在神经科学、细胞生物学和医学诊断中应用。

3.材料加工：超快激光可用于材料加工，如微加工、表面改性和纳米结构制备。其极高的峰值功率使其能够在纳秒或皮秒时间尺度内完成加工，同时最小化热效应对材料的影响。

4.激光眼科手术：飞秒激光用于角膜层的切割，如LASIK（角膜矫正手术）和SMILE（小切口近视矫正手术），以准确改善视力问题。

5.超快电子学：超快激光用于生成飞秒脉冲的电子束，可用于探测材料中的电子动态，从而实现对材料电子行为的研究。

6. 核聚变研究：超快激光可以用于产生极高温高密度等离子体，用于模拟太阳和恒星核聚变反应，从而有助于研究未来的清洁能源。

7.量子信息科学：超快激光在量子计算和量子通信领域中扮演重要角色，用于产生和操作量子比特。

8.光学频率合成：超快激光可以用于光学频率合成，将多个光学频率合并为一个相干的光束，有助于精确测量和频率标准。

总之，超快激光技术在科学、医学、材料科学、能源、通信等多个领域都有着重要的应用，其独特的时间分辨能力和高峰功率为研究人员和工程师提供了丰富的实验和应用可能性，下图只列出了部分应用产品及场景。

目前来看，超快激光器的国内外现状：

国外企业投入大公司怀抱、国内小荷才冒尖——上海证券研究所

• 未来展望

本文还将尝试展望超快激光技术的未来前景。随着科技的不断进步，我们可以期待更短的时间尺度、更高的能量和更广泛的应用领域。通过展望未来，我们可以思考超快激光技术如何继续推动科学和技术的发展，以及如何解决现实世界面临的诸多挑战。最后，希望读者能够更加深入地了解这一引人注目的技术，并在科学和技术的进步中寻找到新的启示和灵感。无论您是科学爱好者、技术从业者还是普通读者，超快激光技术都将成为一个令人充满期待的领域，值得我们共同关注和探索。

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