激光是20世紀人類的重大發明之一，經過近60年的發展，已成為(wei) 人們(men) 認識世界和改變世界的有力工具。由於(yu) 其獨特的性能，激光又有“最亮的光”、“最準的尺”以及“最快的刀”等美譽，並與(yu) 我們(men) 的生活息息相關(guan) ，如人們(men) 熟知的激光眼科手術、激光打印、激光武器、光纖通信、激光美容、激光測距等等。在科研領域，與(yu) 激光物理相關(guan) 的研究是非常活躍的內(nei) 容，不斷湧現出激動人心的發明和創造，與(yu) 激光直接相關(guan) 的諾貝爾獎已有十幾項之多。

2018年的諾貝爾物理學獎再一次頒給了從(cong) 事激光技術研究的三位科學家：其中美國科學家阿瑟·阿斯金因為(wei) 發明光鑷技術(OpticalTweezer)獲得一半獎金；法國科學家傑拉德·穆魯和加拿大科學家唐娜·斯特裏克蘭(lan) 因為(wei) 發明啁啾脈衝(chong) 放大(ChirpedPulse Amplification，CPA)技術而分享另一半獎金。實際上這兩(liang) 項發明相互之間沒有多大關(guan) 聯，光鑷技術大多用到低功率的連續激光，而啁啾脈衝(chong) 放大技術針對的則是峰值功率極高的超短脈衝(chong) 激光。

超短脈衝(chong) 激光，也被稱為(wei) 超快激光。經過激光物理學家們(men) 的多年努力，超快激光技術已催生了多個(ge) 嶄新的學科，為(wei) 我們(men) 認識世界提供了前所未有的強大工具。

激光的英文名稱是LASER，全稱是Light Amplificationby Stimulated Emission of Radiation，從(cong) 英文名稱的字麵上解釋，就是通過受激輻射對光進行放大。在錢學森的建議下，LASER被翻譯成激光。自梅曼發明第一台激光器迄今雖然已近60年，但激光器本身的基本結構變化不大，主要由增益介質、泵浦源和諧振腔三個(ge) 部分組成。其中增益介質用於(yu) 儲(chu) 存泵浦源提供的能量；諧振腔讓光循環往複通過增益介質，從(cong) 而將增益介質存儲(chu) 的能量轉化為(wei) 激光並輸出到腔外；諧振腔可以容納一係列分立的諧振頻率，這樣的諧振頻率被稱為(wei) 激光的縱模。如果諧振腔中隻有一個(ge) 縱模起振，這種激光器稱為(wei) 單縱模激光器，或者單頻激光器。如果讓多個(ge) 縱模在諧振腔內(nei) 起振，並且通過鎖模讓這些模式之間具有固定的相位關(guan) 係，那麽(me) 輸出的激光就是振幅隨時間變化的序列脈衝(chong) ，這種脈衝(chong) 激光人們(men) 稱之為(wei) 鎖模激光。

鎖模是產(chan) 生超快激光脈衝(chong) 的關(guan) 鍵技術。1964年，在美國貝爾實驗室工作的哈格羅夫、福克和波拉克率先報導了在氦氖激光器中實現的主動鎖模。6年之後，奎讚加和西格曼發展了主動鎖模理論，並獲得了關(guan) 於(yu) 脈衝(chong) 寬度的解析解，表明脈衝(chong) 寬度與(yu) 調製頻率的平方根成反比。受限於(yu) 調製頻率，即使在主動鎖模中使用高頻(10GHz以上)調製器，在時域上所形成的淨增益窗口一般在幾十皮秒(簡寫(xie) ps, 1ps=10-12秒，即萬(wan) 億(yi) 分之一秒)以上，因此難以獲得脈寬更短的飛秒(簡寫(xie) fs, 1fs=10-15秒)量級的超快光脈衝(chong) 。

而另一種被動鎖模技術摒棄了主動器件，代之以稱為(wei) 可飽和吸收體(ti) 的被動器件。可飽和吸收體(ti) 利用光和物質的某種非線性相互作用，使得在激光腔內(nei) 運行的光脈衝(chong) 功率高的部分經曆的損耗小於(yu) 功率低的部分，從(cong) 而脈衝(chong) 經過可飽和吸收體(ti) 之後被壓短。1972年，貝爾實驗室的伊彭、尚克和迪恩斯在染料激光器裏實現了穩定的被動鎖模，獲得了長度為(wei) 1.5ps 的光脈衝(chong) ，這一實驗結果可謂拉開了超快光學的帷幕。

但被動鎖模激光器產(chan) 生超短脈衝(chong) 的機製一直不明確，直到在美國麻省理工學院工作的豪斯提出完整的被動鎖模理論。根據響應速度的快慢，豪斯將可飽和吸收體(ti) 分為(wei) 快可飽和吸收體(ti) 和慢可飽和吸收體(ti) 兩(liang) 種。他在1975年發表兩(liang) 篇理論文章，分別討論用這兩(liang) 種飽和吸收體(ti) 實現被動鎖模的物理機製。在理論指導之下，被動鎖模染料激光器的工作性能不斷獲得提高，所能產(chan) 生的脈衝(chong) 也越來越短。1981年，貝爾實驗室的福克等人發明了染料激光的碰撞脈衝(chong) 鎖模(CPM)技術。他們(men) 通過特殊設計的環形腔Rh6G激光，使兩(liang) 個(ge) 相反方向運行的脈衝(chong) 在飽和吸收體(ti) 中相撞，第一次將人們(men) 所能得到的超短光脈衝(chong) 寬度推進到小於(yu) 100 fs，標誌著飛秒時代的到來。飛秒激光的出現可以說是超快激光發展史上的重大裏程碑。雖然人們(men) 利用摻釹的釔鋁石榴石晶體(ti) (Nd:YAG)、玻璃(Nd:glass)、色心等材料作為(wei) 增益介質也先後實現了這些激光的主動或被動鎖模，但由於(yu) 染料具有最寬的激光增益帶寬，理論上支持最短激光脈衝(chong) 的產(chan) 生，因此飛秒染料激光器也就成為(wei) 當時飛秒技術及超快現象研究的首選激光器。進一步通過對CPM染料激光進行腔內(nei) 色散補償(chang) 並且利用外壓縮技術，1986年人們(men) 創造了6fs 的最短脈衝(chong) 寬度紀錄，直到10年之後這一紀錄才被固體(ti) 摻鈦藍寶石激光所打破。

在超快激光研究中，一個(ge) 恒久追求的前沿就是如何產(chan) 生更短的光脈衝(chong) 。然而對於(yu) 特定的激光，其光脈衝(chong) 的寬度有一個(ge) 下限，該下限由脈衝(chong) 的光譜形狀及寬度決(jue) 定；如果一個(ge) 脈衝(chong) 的寬度，即脈寬恰巧等於(yu) 該下限，我們(men) 稱其為(wei) 變換極限脈衝(chong) 。變換極限脈衝(chong) 是一個(ge) 給定光譜寬度所能允許的最短脈衝(chong) ，光譜越寬，對應的變換極限脈衝(chong) 也就越短。簡而言之，產(chan) 生更短光脈衝(chong) 的關(guan) 鍵在於(yu) 獲得更寬的脈衝(chong) 光譜。但是激光增益介質具有一定的帶寬，限製了鎖模脈衝(chong) 的光譜寬度，也必然限製了所能獲得的變換極限脈衝(chong) 的寬度。要想進一步縮短脈寬，必須想辦法展寬脈衝(chong) 的光譜。

1966年，高錕預言石英光纖的損耗可以降到20 dB/km，從(cong) 此拉開了光纖通訊的帷幕，也直接促進了非線性光纖光學這一學科的快速發展。1978年，在貝爾實驗室工作的斯竇倫(lun) 等發現，將超短脈衝(chong) 耦合到光纖中後，脈衝(chong) 在傳(chuan) 輸過程中，會(hui) 通過自相位調製這一非線性效應產(chan) 生新的光譜成分，進而導致脈衝(chong) 的光譜被展寬。由於(yu) 光纖中的色散效應，該脈衝(chong) 在時域上也被展寬了，比在光纖輸入端的脈衝(chong) 還要寬。1982 年，該實驗室的尚克等人利用一對光柵補償(chang) 光脈衝(chong) 經過光纖之後產(chan) 生的群延時色散，從(cong) 而將脈衝(chong) 壓縮到變換極限。由於(yu) 脈衝(chong) 的光譜已經被自相位調製所展寬，那麽(me) 壓縮後的脈衝(chong) 也就比入射到材料裏的起始脈衝(chong) 要短。他們(men) 利用該方案，將從(cong) CPM染料激光器輸出的90 fs 脈衝(chong) 壓縮到了27 fs。

典型CPM飛秒染料激光器

激光脈衝(chong) 與(yu) 物質之間的相互作用依賴於(yu) 光的峰值功率。由於(yu) 超短激光脈衝(chong) 將能量集中在很短的時間內(nei) ，對應著非常高的峰值功率，因此能夠與(yu) 物質進行非常強的非線性相互作用，從(cong) 而直接催生了另外一門學科——極端非線性光學，極端非線性光學的發展，又反過來對超快激光脈衝(chong) 的峰值功率提出了更高的要求。

激光脈衝(chong) 的峰值功率正比於(yu) 脈衝(chong) 能量與(yu) 脈衝(chong) 寬度的比值。因此，除了不斷減小脈衝(chong) 寬度外，增加脈衝(chong) 能量也能有效提高脈衝(chong) 的峰值功率。但由鎖模激光器直接產(chan) 生的超快激光脈衝(chong) 的能量一般都很低，增加脈衝(chong) 能量需要利用後續的激光放大器來實現。與(yu) 激光振蕩器相比，激光放大器一般隻需要增益介質和泵浦源，通過不斷放大激光脈衝(chong) ，可以將脈衝(chong) 的峰值功率提高幾個(ge) 數量級。但到20世紀70年代，這一方案遇到了瓶頸，因為(wei) 當脈衝(chong) 峰值功率被放大到兆瓦(1兆瓦等於(yu) 1百萬(wan) 瓦)量級後，會(hui) 和增益介質本身產(chan) 生非線性相互作用，所導致的自聚焦效應不但破壞光束質量，甚至損壞放大裝置。正是因為(wei) 這一難以逾越的障礙，導致超快激光脈衝(chong) 的峰值功率在長達10多年的時間裏基本停滯不前，如何解決(jue) 該難題，需要嶄新的激光放大技術

inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 來源：常國慶¹ 魏誌義(yi) ^1，2

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:17px;font-weight:normal;"> 1.  中國科學院物理研究所；2. 中國科學院大學