激光研究领域耀眼的明珠：超快激光

激光是20 世纪人类科学史上最伟大的发明之一, 超快激光作为重要的研究方向, 自激光出现后不久一直是科学家关注的热点内容。相比其他激光, 超快激光具有两个显著的特征：一是极高的时间分辨率, 由于其超短的脉宽, 因此是人们研究探索微观粒子瞬态动力学行为的唯一手段, A. Zewail 教授由于首次采用飞秒激光研究化学反应动力学的工作而获得1999 年诺贝尔化学奖；二是极高的峰值功率, 随着啁啾脉冲放大(CPA) 技术的出现, 目前的最高峰值功率及最强物理现象正是由超快激光产生的, 其瞬间所迸发的场强远高于核爆中心, 从而为高能物理、加速器物理等学科注入了前沿的研究内容, 该技术的发明者G. Mourou 及D. Strickland 教授也因此获得了2018 年的诺贝尔物理学奖。

▲ CPA 技术的基本原理

为了克服超快激光直接放大过程中的这些问题，1985 年，G. Mourou 和D. Strickland 等发明了CPA 技术，其基本的思想就是在放大前，先将激光脉宽展宽到数百皮秒乃至纳秒量级，避免在激光晶体中产生比较高的峰值功率密度。CPA 原理如图所示，由锁模激光振荡器产生的种子脉冲首先经过展宽器进行展宽，其脉冲宽度增大，峰值功率降低。展宽后的脉冲进入放大器进行放大。由于此时峰值功率已经降低，使脉冲可以在不破坏系统元件的情况下提取更多能量。放大后的脉冲经过压缩器进行压缩，其脉冲宽度恢复至展宽前。由于携带了更多能量，因此峰值功率可以提高几个数量级。在CPA 技术的推动下，高峰值功率激光放大系统日趋成熟，所产生的聚焦功率密度最高已达10²² W/cm²，进入相对论光强领域。

超快激光是指脉冲宽度短于分子弛豫时间的脉冲激光, 内容覆盖了皮秒、飞秒及阿秒的范畴。

▋伴随1981 年碰撞脉冲锁模(CPM) 技术发明所带来的飞秒激光研究热潮, 人们不仅逐渐用“超快激光”代替“超短脉冲激光”这一传统术语,并进一步通过腔外压缩技术相继获得了8fs 及6fs 的最快闪光世界纪录, 将激光脉冲推进到了前所未有的周期量级电磁振荡, 创造了超快激光的飞秒时代。

▋1990年, 随着掺钛蓝宝石(钛宝石) 晶体被越来越多地用作激光增益介质, 人们意外触发了自锁模(克尔透镜锁模, KLM) 的出现和持续运行, 不仅使长期以来复杂的锁模激光结构得以大大简化, 而且输出功率也大大超过了染料飞秒激光, 结合CPA技术, 在约十年的时间里将峰值功率从最初约吉瓦(GW) 的水平提高到了1.5 拍瓦(PW), 同时太瓦(TW) 级的桌面钛宝石激光也成为许多大学实验室广泛使用的标准产品, 创造了超快激光的超强时代。

▋2001 年, F. Krausz 教授等基于少周期飞秒钛宝石激光与惰性气体相互作用产生的高次谐波及振幅选通与测量技术, 首次实现了单个阿秒脉冲的测量, 得到了650as 的结果, 开启了超快激光的阿秒时代, 成为激光历史上具有里程碑意义的重要进展之一。

回顾近十年来超快激光的研究与应用, 飞秒、超强、阿秒交相辉映, 不仅相互依赖, 而且也相互促进, 如平均功率数百瓦量级的全固态少周期脉冲、峰值功率大于10PW 的超强激光、脉宽小于100as 的极紫外及软X 射线阿秒激光等, 不断创造了极端光场的新纪录, 极大地促进了超快科学、极端光学在多学科领域的前沿应用, 孵化了飞秒精密加工、高分辨成像、激光医疗等高新技术产业, 也建造了以超快激光为主体的新一类大科学装置, 如欧洲的极端光学设施(ELI)。

▲ 超快激光加工与长脉冲激光加工的区别

有鉴于此, 出版一本专门系统介绍超快激光原理技术与最新进展的专著, 就显得十分必要。

作者在研究生学习期间, 有幸赶上以CPM 染料激光为代表的飞秒时代, 在导师侯洵院士的指导下, 不仅参与了中国科学院西安光学精密机械研究所(简称西安光机所) 首台飞秒激光器的工作, 也研制了一台主动锁模皮秒Nd:YAG激光器, 倍频后作为泵浦光, 实现了同步泵浦染料激光的混合锁模, 填补了国内该锁模激光的空白, 产生了59fs 的激光脉冲。在六年多的研究生生涯中, 经历了维修旧式激光电源、建造染料喷流等工作的痛苦, 也体验了获得高功率皮秒绿光、飞秒染料激光等成果的喜悦。其间通过对光学谐振腔设计、主被动锁模、色散补偿、高效率倍频、光纤中飞秒激光非线性效应等内容的研究和经验积累, 促使有了撰写一本超快激光专著的信心。记得我带着完成的部分手稿向侯老师汇报时, 他不仅给了我极大的鼓励, 还详细指点写作提纲和行文注意事项。但随着毕业离所后开始新的研究工作, 专著一直未能完成。2018 年, 鉴于激光与光电子科学与技术的不断发展, 在多位学者的倡议下, 成立了以侯院士为主编的“先进光电子科学与技术丛书”编委会, 由我和韩海年负责撰写超快激光的内容, 在科学出版社的支持下, 有了重拾三十多年前梦想的机会。

从超快激光快速发展的研究成果及浩如烟海的文献资料, 要凝练一本既能概括最新前沿, 又能自成体系的专著, 深感不易。已有张志刚教授再版的《飞秒激光技术》、张杰院士主编的“光物理研究前沿系列丛书”中由笔者联合多位教授共同完成的《超快光学研究前沿》、王清月教授撰写的《飞秒激光在前沿技术中的应用》、曾志男教授与李儒新院士合著的《阿秒激光技术》等书, 如何避免内容重复,是颇难的事情。为此, 韩海年协助我在全书结构安排、内容撰写及组稿校对等方面共同做了大量工作, 各章节的撰稿和资料收集也得到多位同事和研究生的参与支持。

《超快激光原理与技术》（魏志义, 韩海年著. 北京：科学出版社, 2023.6）较为全面地涵盖了超快激光的相关内容，取材上不仅参考了国内外研究的大量文献和重要进展，也结合了作者及团队 20 多年来的研究工作和成果，可读性强，可供原子分子物理、光物理、激光技术、超快动力学、强场物理、精密测量等专业的高年级本科生、研究生、青年科技人员参考。