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封面故事 Cover Story

飞秒激光器 ：从诞生到工业应用

文/Sami Hendow，IMRA America

018 年诺贝尔物理学奖授予 被高度放大。随着脉冲的
Arthur Ashkin、Gérard Mourou 变短和峰值功率的增加，
2 和 Donna Strickland，以表彰他 出现的光学非线性问题限
们在激光物理学领域的突破性发明。 制了在材料中传输的峰值
特别 是，Mourou 和 Strickland 因其 光功率。由光学非线性效
产生高强度超短光脉冲的方法而获得 应引起的相干光散射降低
诺贝尔奖。该方法通常称为啁啾脉冲 了放大器的效率，并且导
放大（CPA ；见图 2）。该奖项不仅 致其他不良后果。然而，
是为了表彰科学界对 CPA 革新性的 更重要的是，强激光脉冲
承认，也是因为它对激光产业产生的 的高峰值功率，达到了放
影响。目前，CPA 是产生飞秒脉冲的 大器系统中元件的材料损
主要手段。 伤阈值。 图1：从一家大型汽车制造商的生产线上下线的汽车发动机活塞；该
活塞已经过飞秒激光处理，以提升发动机性能。
业界对产生和使用越来越短、越 CPA 通过使用长的光
来越强的激光脉冲的兴趣一直很高。 纤或一对衍射光栅，在放大之前展宽 于放大器元件的光学损伤阈值）排布
然而，现实中也存在一种物理障碍， 激光脉冲来绕过这些限制（见图 2）。 了一个光栅对，使得脉冲长波部分的
阻止这种脉冲在固态放大器和光纤中 在对展宽的脉冲进行放大之后（远低 光程比短波部分的光程短，从而逆转
早期的脉冲展宽。这一概念提供了一
种产生高能量超快激光脉冲的方法，
开辟了许多科学应用以及随后的工业
超短脉冲 啁啾脉冲，低能量 啁啾脉冲，高能量 应用。
低能量

背景
注入种子光 展宽器
的谐振腔 20 世纪 90 年代早期，钛宝石
（Ti:sapphire）激光器是研究市场的流行
放大器
工具。其宽可调带宽、短脉冲和高能
量，使得研究许多新颖的应用成为可
G 能。多光子成像一直是受益于此能力
M
的成功应用之一。
尽管取得了这些成就，但这种早
G
超短脉冲， 期技术由于其规模和复杂性而未能在
压缩器
高能量 商业上广泛部署。随着光通信的发展，
基于光纤的飞秒激光技术得到了长足
图2：Strickland和Mourou在1985年发表的CPA系统示意图。 [1] 的改进，部分地克服了钛宝石激光器

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