文 献 综 述
飞秒激光,指脉冲持续时间为10-15s数量级的激光，有超短的脉宽和超高的峰值功率。自从20世纪70年代初提出的激光锁模技术(Mode-locking),开始了超短脉冲时代;经过短短20多年的发展,先后出现了主动锁模(APM)、被动锁模、碰撞锁模(CPM)、注入锁模、相加脉冲锁模等, 采用这些锁模技术可以将激光脉冲缩短到皮秒(10-12s)甚至飞秒(10-15s)量级。到20世纪80年代中期, 由于掺钛蓝宝石这种宽带激光增益晶体的发现，与其非线性效应而导致的自锁模(self-mode locking)技术和啁啾脉冲放大 (Chirped pulse amplification) 技术的出现,使我们真正步入超短超强脉冲时代。采用这种技术后,输出的激光脉宽可以短到飞秒量级,脉冲功率可达太瓦(1012W)、拍瓦(1015W),聚焦后的功率密度达到1021W/cm2,这种高强度的聚焦光场与物质相互作用后,可以产生高温、高压、高强场、高密度等极端物理条件,对开展“快点火”激光聚变、高亮度 X 射线的产生、实验室天体物理及探索极端条件下强光与物质作用等重大科学研究提供了有力的手段[1]。
飞秒脉冲激光的产生来源于锁模技术,是激光技术中的一个十分重要的组成部分, 一台自由运转的激光器中往往会有很多个不同模式或频率的激光脉冲同时存在，而只有在这些激光模式相互间的相位锁定时，才能产生激光超短脉冲或称锁模脉冲。世界上是在1964年底首先对He-Ne激光器实现锁模并获得了10-9-10-10s的光脉冲列。此后,激光锁模的理论和方法不断推陈出新,相继出现了红宝石、YAG、钦玻璃及有机染料等锁模激光器, 获得了ps(10-12s)量级的窄脉冲。八十年代初,Fork等人又发展了碰撞锁模的理论,使锁模光脉冲进入了 fs(10-15s)量级[2]。
1991年,随着掺钛蓝宝石晶体的研制成功,出现了钛蓝宝石激光器。这种激光系统的问世 , 大大激励了超短激光脉冲技术的发展,输出脉冲宽度由几十飞秒降至十几飞秒乃至几飞秒[3],平均功率已达数百毫瓦,能量接近毫焦量级,重复率有数千赫。以掺钛蓝宝石晶体为激光介质的钛蓝宝石激光器以其调谐范围宽[3](660～1200nm)、脉宽窄 (fs级)、输出功率高(TW级)等特点,已成为红外到可见光波段性能最优的可调谐激光器。如果采用倍频技术,其可调谐范围还可以覆盖到紫外及真空紫外。因此,钛蓝宝石激光系统的问世使超短光脉冲技术进入了一个新阶段。 激光脉冲的能量是衡量激光科学发展的另一个重要标志。对于许多应用来说,激光器直接产生的飞秒光脉冲的能量远远不够。因此,超短光脉冲的压缩和放大就成为人们关注的焦点。1985年,美国密执安大学的D.stricklan和G.Mouro教授提出将微波波段啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification CPA),即将需要放大的脉冲利用啁啾效应拉长之后,再进行压缩。由于飞秒光脉冲的持续时间极短,峰值功率高,因此在放大过程中不仅会产生严重的非线性,而且会破坏放大器的光学元件和工作介质。啁啾脉冲放大技术避免这种由于高强度而产生的非线性效应。从振荡器中选出的飞秒单脉冲,经过脉冲展宽器展宽后,输入前置放大器进行再生放大或多通放大,然后将已经具有更大能量的单脉冲经空间滤波器扩束整形后,再输入主放大器,从而实现最终的大能量放大。经压缩放大后的脉冲其脉宽会大幅度降低,能量将大大提高,更容易满足各种应用要求。在劳仑兹·利弗莫尔国家实验室利用CPA技术己建成输出为1.5PW的高功率激光系统[4]，它的聚焦辐射强度可达到1021w/cm2，这对应的电场强度为-8times;1011V/cm，大大超过介质内部形成的库仑场强。从而开辟了超强激光场与物质相互作用的新领域。然而，CPA技术存在一定的局限性:放大过程中存在着自发辐射放大(ASE)，而且还有放大的预脉冲以及展宽脉冲的光谱截断和不完全压缩而引起的压缩后脉冲旁瓣和平台的产生，这样大大降低了系统输出脉冲的信噪比;另外，放大过程中存在着光谱增益窄化效应，这种效应影响着再压缩脉冲的宽度;放大过程中存在严重的热效应，需要冷却装置;输出光束质量欠佳;单通增益低等。自从二十世纪六十年代诞生第一台固体激光器以来，Kroll，Kingston以及Akhmanov和Khokhlov等人在同一时期提出的光参量放大(OPA)技术和光参量振荡(OPO)技术得到了蓬勃发展。几年以后，这两种技术在实验上得到了验证。1986年，Piskarskas等人又在实验上验证了OPA技术放大相位调制脉冲这一独一无二的特性。为了充分利用上述CPA和OPA两种超短激光脉冲放大技术各自的优点，1992年，A.DubietS等人首次提出了实现高功率超短超强脉冲输出的全新途径--光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)的概念。其基本思想是:由一些运转在高能量的激光器提供大功率高能量的抽运脉冲。抽运脉冲需要有比较窄的光谱宽度和较长的脉冲宽度，然后在非线性介质(一般是LBO、KDP或BBO晶体)中通过OPA过程对一个宽带啁啾信号激光脉冲进行放大，以代替CPA激光系统中的固体激光器对宽带啁啾脉冲的放大，最后再通过脉冲压缩得到高输出峰值功率的激光脉冲[5]。
所谓光学击穿，就是指是强激光束通过大气传播产生的一种非线性效应，它产生的等离子体将会使激光通道阻塞,从而造成后续的激光能量非线性衰减，使可传播的激光功率峰值密度受到限制[6]。当气体激光器本身的辐射强度超过击穿闭值时，也将会限制激光器的运转。激光器使得研究原子的多光子过程成为可能。原子与激光之间作用与激光源发射强度和脉冲持续时间紧密相关，所以每当激光强度提高一个数量级或激光脉冲缩短一个数量级时往往会带来新现象的发现，并运用于实际生产、生活。在原子于激光场中各种多光子的过程中，其中最重要的是多光子电离 ， 即为原子吸收其从基态跃迁到连续态所需最少数目的光子。1965 年 Hall等人用红宝石激光器实现了碘负离子的多光子解离[7]。Vo ronov等人[8]和Agostini等人[9]又观察到稀有气体原子中的多光子电离。1977年，Weingartshofer 等人[10] 发现多光子自由-自由跃迁。1979年,Agostini等人[11]测出了多光子电离产生电子的能量。他们的实验发现电子不仅可以吸收多光子电离外，还可以吸收多于其电离所需的最少的光子，此时多光子电离将会伴随有自由-自由跃迁，这一现象被称为阈上电离[12]。
飞秒激光与传统的激光在加工方面相比有着明显的优势：几乎可以加工任何材料, 非接
触加工, 非热加工, 加工精度高, 能够加工亚微米级结构和三维于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，在医学也有很好的发展前景。此外，超短脉冲激光束击穿空气，在空气中传输时会产生自聚焦现象, 使光束直径聚焦到几百微米以下, 并且在远距离传输的过程中可以保持其高能量和瞬态结构不变, 形成所谓的光丝[14]，并由于其独特的性质，可以传输到12km以上的高空。正因为飞秒激光有高功率和成丝超远传输的能力，促使利用飞秒激光进行远程信息交换、光侦查和定位等的发展方向得到了极大的拓宽，在军事、民需等方面都有可以充分利用之处。
理论上，描述飞秒激光成丝现象的基础是非线性薛定谔方程，目前有3 种不同的理论模型：自波导模型、动焦点模型和动态空间再补给模型[14]。首先，自波导模型提出自聚焦和光场电离的共同作用，形成一个波导通道，因此光丝得以维持；而动焦点模型提出由于光场电离使脉冲的不同的时间切片有着不同的焦距, 所以结果会在不同的位置出现自聚焦, 其整体效果即为形成光丝；最后动态空间再补给模型则提出脉冲前沿的时间切片的成丝抑制了后沿时间切片的成丝，当其衰弱之后,后沿的时间片紧接就会成丝，这样的话，就可用不同的时间切片依次成丝来解释光丝能够长距离传输的现象[15]。这3个模型各有优劣，其中自波导模型提出最早,解释飞秒激光脉冲的长距离传输机理也较为明了。
民需方面，利用飞秒激光的击穿大气远距离传输特性，可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。军事方面，利用光丝特性研究特定方向传导无线电信号，使战场信息传递更为安全可靠不易受到环境干扰。在飞秒激光长距离传输方面仍然有很多应用领域等待我们去拓展，让技术进步与现实需求互相促进，共同进步。
[1] 陈国夫, 程光华, 令维军. 飞秒激光产生与放大技术, 红外与激光工程, 2008 年 4 月,第 37 卷第 2 期.
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