1960年，第一台激光器--紅寶石激光器問世為(wei) 超快過程的研究打開了門戶。1961年，調Q技術在紅寶石激光器上首次實現了脈衝(chong) 寬度為(wei) 幾十納秒的短激光脈衝(chong) 輸出，激光脈衝(chong) 的脈寬甚至被縮短到10納秒，調Q技術所能得到的脈衝(chong) 寬度隻能達到納秒級，這是由於(yu) 受到激光器腔長的限製(2L／c，L為(wei) 激光器諧振腔長度，C是光速。1964年發展的相位鎖定技術，將激光器各自獨立振蕩的多縱模型形成時間有序，鎖模技術首次在氦氖激光器上實現主動鎖模的納秒級激光脈衝(chong) 輸出。兩(liang) 年後，在銣玻璃激光器上首次實現皮秒級的激光脈衝(chong) 輸出。20世紀60年代中期，紅寶石激光鎖模和釹玻璃激光鎖模的發展，開始了皮秒時域的皮秒現象研究。1976年在寬帶可調染料激光介質體(ti) 係運用可飽和染料吸收體(ti) 首次實現了亞(ya) 皮秒的超短激光脈衝(chong) 輸出。

  20世紀80年代，超快光譜學發生了革命性的變化。對撞脈衝(chong) 鎖模(CPM)的概念引入了染料激光器，皮秒激光脈衝(chong) 被壓縮到了飛秒(fs)時域，產(chan) 生了100 fs的脈衝(chong) 。緊接著出現30 fs的脈衝(chong) 。這是由一個(ge) 環形激光器與(yu) 染料放大器鏈相耦合，工作在620 nm波長獲得的。克爾(Kerr)門技術的出現促進了超快光譜學包括超快熒光光譜學的發展。啁啾脈衝(chong) 壓縮技術的運用又將脈衝(chong) 寬度壓縮到20 fs乃 至6 fs。特別值得指出，超快過程的發展中鈦寶石激光器擔負著十分重要的角色，鈦寶石材料是超短脈衝(chong) 振蕩器和放大器的重要增益介質，它能夠在800 nm輸出脈寬4～5 fs的超快脈衝(chong) 。在近紅外頻區能實現20亞(ya) 飛秒輸出的材料則有Cr4+：YAG，Cr3+：LiSAF，Cr4+：鎂橄欖石(M92Si04)。讓我們(men) 比較和估算一下飛秒激光器的能量密度：一束大約20 fs脈寬的飛秒激光產(chan) 生1J的能量，這種激光聚焦的峰值能流達到1020W／cm2。

  從(cong) 紅寶石激光器出現，借助重要的脈衝(chong) 調Q，鎖模和壓縮技術，超快過程經曆並實現了納秒(1ns=10-9s)、皮秒(1ps=10-12s )、飛秒(1fs=10-15s)和阿秒(1as=10-18s)的發展過程。當采用太瓦(1012w)的激光激發時，可實現了亞(ya) 阿秒(10-19s)的超短脈衝(chong) 輸出。理論上已經證明，如果用拍瓦(1015w)的激光激發時，能夠產(chan) 生仄秒(zeptosecond，10-21s)和亞(ya) 仄秒(subzeptosecond，10-22s)的激光脈衝(chong) 。

  超快過程的重要技術--脈衝(chong) 調Q鎖模和壓縮

  所謂調Q就是指調節激光器的Q值的技術。在激光器泵浦的初期，把諧振腔的Q值調得很低，使激光器暫時不滿足振蕩條件，在泵浦脈衝(chong) 的激勵下獲得很高的粒子數密度時，再迅速調大諧振腔的Q值，此時反轉粒子數密度遠大於(yu) 閾值反轉粒子數密度，激光振蕩迅速建立並達到很高的峰值功率，同時反轉粒子數迅速被耗盡，脈衝(chong) 很快結束，這樣就獲得了具有窄脈衝(chong) 寬度和大峰值功率的激光脈衝(chong) 。利用調Q技術能夠建立納秒脈衝(chong) 的輸出。

  鎖模(mode locking)是激光器產(chan) 生超短脈衝(chong) 的重要技術。激光器光腔內(nei) 存在多種模式的激光脈衝(chong) ，當這些模式相互間的相位實現相長幹涉時才產(chan) 生激光超短脈衝(chong) 或稱鎖模脈衝(chong) 輸出。鎖模一般分為(wei) 兩(liang) 類：一類是主動鎖模，另一類是被動鎖模。前者是從(cong) 外部向激光器輸入信號周期性地調製激光器的增益或損耗，達到鎖模；後者則采用飽和吸收器(例如一片薄的半導體(ti) 膜)，利用其非線性吸收達到鎖定相對相位，產(chan) 生超短脈衝(chong) 輸出。

  脈衝(chong) 壓縮技術是克服材料折射率隨波長變化引起的色散效應采取的措施．如果啁啾是線性的，則色散容易矯正．然而大部分光學放大器的製作材料會(hui) 產(chan) 生高 階效應，當脈衝(chong) 寬度增加時很難予以控製，需通過脈衝(chong) 壓縮技術解決(jue) ．脈衝(chong) 壓縮 技術具有四種基本方法：第一種是平行光柵對壓縮器。它讓光束的長波長部分比短波長部分通過更長的光程，這樣倒轉了材料的色散效應，成為(wei) 脈衝(chong) 放大器鏈的光柵延伸器。這種壓縮器在適當的間隔引入了負色散，其結構緊湊，但光損失大(接近50％)，而且會(hui) 引入高階色散。第二種是棱鏡對壓縮器。基本原理與(yu) 光柵對類似，但是引人的負色散比前述的光柵型的小．假如當兩(liang) 個(ge) 棱鏡之間的問距足夠大時，材料的正色散能夠通過將一個(ge) 棱鏡移入和移出光路獲得平衡。棱鏡的頂角切割成中心波長的偏離最小，而入射角呈布儒斯特角，使得線性偏振的菲涅耳(Fresnel)反射損失最小，整個(ge) 光腔係統幾乎沒有什麽(me) 損失。值得指出：光柵對壓縮器和棱鏡對壓縮器引人了符號相反的三階色散分量，如果兩(liang) 者一起使用可以抵消色散的高階分量項。第三種是比較現代的雙啁啾鏡(DcM)壓縮器。布拉格鏡是由交替的Si02和Ti02塗層構成的，塗層的折射率呈台階狀變化．這樣的結構引入了負色散關(guan) 係。鏡的正麵好比透射光柵產(chan) 生部分反射光，而鏡的背麵產(chan) 生布拉格反射。為(wei) 了消除震蕩效應，將高折射率層的厚度做成錐形，鏡子的正麵塗有寬帶抗反射層。鏡於(yu) 網止回漲伺覓常玩及射層．壓縮器不能對色散進行調節，必須按標準進行製作和精確地剪裁，並需由離子束濺射技術製造，因而價(jia) 格相當昂貴，使用尚不夠廣泛．第四種是采用新技術的微機械形變鏡壓縮器。除了帶寬限製脈衝(chong) 外，有源器件如液晶調製器，聲光調製器，機械形變鏡(M2)等均能用來產(chan) 生複雜的波形。

  飛秒激光的特點和實現

  飛秒激光是一種以脈衝(chong) 形式運轉的激光，持續時間非常短，隻有幾個(ge) 飛秒，一飛秒就是10的負15次方秒，也就是1／1000萬(wan) 億(yi) 秒，它比利用電子學方法所獲得的最短脈衝(chong) 要短幾千倍，是人類目前在實驗條件下所能獲得的最短脈衝(chong) 。這是飛秒激光的第一個(ge) 特點。飛秒激光的第二個(ge) 特點是具有非常高的瞬時功率，可達到百萬(wan) 億(yi) 瓦，比目前全世界發電總功率還要多出百倍。飛秒激光的第三個(ge) 特點是，它能聚焦到比頭發的直徑還要小的空間區域，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數倍。

  飛秒激光的這些特性是如何實現的呢？高功率飛秒激光係統由四部分組成：振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。在振蕩器內(nei) ，利用一種特殊技術獲得飛秒激光脈衝(chong) 。展寬器將這個(ge) 飛秒種子脈衝(chong) 按不同波長在時間上拉開。放大器使這一展寬的脈衝(chong) 獲得充分能量。壓縮器把放大後的不同成分的光譜再會(hui) 聚到一起，恢複到飛秒寬度，從(cong) 而形成具有極高瞬時功率的飛秒激光脈衝(chong) 。

  飛秒激光在物理學、生物學、化學控製反應、光通訊等領域中得到了廣泛應用。特別值得提出的是，由於(yu) 飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變早期診斷、醫學成象和生物活體(ti) 檢測、外科醫療及超小型衛星的製造上都有其獨特的優(you) 點和不可替代的作用。