激光技術是二十世紀與(yu) 原子能、半導體(ti) 及計算機齊名的科技四大發明之一，自1960年世界上第一台紅寶石激光器問世以來，以激光器為(wei) 基礎的激光技術在世界範圍內(nei) 得到了迅速發展，廣泛應用於(yu) 工業(ye) 領域和科學研究，從(cong) 方方麵麵走進了人們(men) 的生活。

與(yu) 傳(chuan) 統長脈衝(chong) 激光及連續激光不同，超快激光作為(wei) 激光器家族的年輕成員，其高峰值功率和超短脈衝(chong) 持續時間引起的非線性效應，不僅(jin) 能夠作為(wei) 物理、化學、生物、材料與(yu) 信息科學等學科中的基本工具，揭示超快變化過程，直觀地探索微觀世界中粒子的超快動力學行為(wei) ，而且能夠解決(jue) 許多常規方法難以達到的高精尖實際應用問題。

與(yu) 發展更為(wei) 成熟的固體(ti) 激光器相比，光纖激光器綜合性能更為(wei) 優(you) 異，兼具高可靠性、優(you) 質光束質量、高穩定性、易與(yu) 光纖係統兼容的性能優(you) 勢，和結構緊湊、易於(yu) 維護、散熱性好的生產(chan) 優(you) 勢，被譽為(wei) “第三代激光器”，承載著超快激光技術的未來。

超快光纖激光器的關(guan) 鍵技術

◆鎖模啟動機製

超快激光一般指脈衝(chong) 寬度在皮秒和飛秒量級的脈衝(chong) 激光，鎖模技術作為(wei) 激光器產(chan) 生超短脈衝(chong) 的重要技術，其理論基礎是在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關(guan) 係，使不同模式的激光周期性的建立起相長幹涉，從(cong) 而產(chan) 生脈衝(chong) 激光。

圖 1：啁啾脈衝(chong) 放大技術的原理（圖片來源：瑞典皇家理工學院）

光纖激光器的鎖模技術可分為(wei) 主動鎖模和被動鎖模，其中被動鎖模無需外界調製元件，僅(jin) 通過腔內(nei) 光纖的克爾效應或者利用材料型的可飽和吸收體(ti) ，即可實現脈寬很窄的超短脈衝(chong) ，其得到更廣泛的應用。目前主流的鎖模啟動機製包括基於(yu) 材料型可飽和吸收體(ti) 的半導體(ti) 可飽和吸收鏡、碳納米管、石墨烯、金屬納米顆粒等，和基於(yu) 克爾效應的非線性光纖環路反射鏡、非線性放大環路反射鏡以及非線性偏振旋轉技術。

◆脈衝(chong) 放大技術

超快光纖激光振蕩器輸出功率一般僅(jin) 在幾毫瓦至百毫瓦量級，盡管飛秒脈寬的超短脈衝(chong) 激光的峰值功率比長脈衝(chong) 激光高出數個(ge) 量級，在工業(ye) 製造應用的驅動下，進一步提高激光峰值功率是激光技術領域的追求目標。然而隨著多級放大提高脈衝(chong) 峰值功率，強度依賴的非線性克爾效應會(hui) 導致光束質量的破壞甚至會(hui) 損傷(shang) 元件，激光強度的進一步發展遭遇巨大瓶頸。

直到1985年，GerardMourou和DonnaStrickland從(cong) 微波放大技術中獲得啟示，提出了“啁啾脈衝(chong) 放大（ChirpedPulseAmplification）技術”有效地解決(jue) 了這一問題，兩(liang) 位科學家憑借這一技術在2018年獲得諾貝爾物理學獎，是超快激光發展的裏程碑。

啁啾脈衝(chong) 放大過程就是將種子脈衝(chong) 在一段很長的光纖中傳(chuan) 播，由於(yu) 其頻譜包括不同的頻率分量，不同的頻率分量傳(chuan) 輸速度不同，因而在傳(chuan) 輸過程中脈衝(chong) 寬度得到展寬，則相應的峰值功率得到了降低；然後將被展寬的脈衝(chong) 進行放大，即可有效抑製非線性效應；放大之後再利用壓縮器將脈衝(chong) 壓縮至原來的寬度。“啁啾管理”因此成為(wei) 了高功率超快光纖激光的標準技術。近期，有學者提出了“預啁啾”放大技術，為(wei) 飛秒脈衝(chong) 放大提供了新的思路。

超快光纖激光器的應用優(you) 勢

超快光纖激光器作為(wei) 新一代激光器，可以理解為(wei) 超快技術與(yu) 光纖激光的結合，結合了超快激光和光纖激光的雙重優(you) 勢。10年前，超快光纖激光器仍停留在基礎科研領域，運用於(yu) 科研機構的實驗室中，在非線性光學、激光光譜學、精密光學測量、太赫茲(zi) 等科研領域作為(wei) 強有力的研究工具，起著重要作用。隨著超快光纖激光製造技術的快速發展，核心器件如泵浦源、雙包層光纖、光纖光柵等製造工藝的完善和成本的降低，超快光纖激光器在近年來走向市場，轉化落實在產(chan) 業(ye) 化應用中。

圖 2：超短脈衝(chong) 激光與(yu) 長脈衝(chong) 激光的優(you) 勢對比（圖片來源：Amada Miyachi America Inc.）

以稀土元素摻雜的光纖作為(wei) 激光增益介質的超快光纖激光器，由於(yu) 光纖表麵積大、易於(yu) 散熱，能夠做到小型化、高效率且低成本，在實際應用中優(you) 勢凸顯。同時，超快激光與(yu) 傳(chuan) 統長脈衝(chong) 以及連續激光相比，具有獨特的優(you) 勢。由於(yu) 超快激光與(yu) 材料相互作用的時間極短，將能量極快地注入很小的作用區域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運動方式發生變化，在根本上避免了能量的轉移、轉化以及熱能的存在和熱擴散造成的影響，從(cong) 根本上改變了激光與(yu) 物質相互作用機製，在精密微加工、航空航天、消費電子、汽車製造、光伏能源等工業(ye) 領域表現出色。

圖 3： (a) 德國 Menlo Systems 飛秒光纖激光器 (b) 武漢華銳飛秒光纖激光器

值得一提的是，光頻梳係統最早由極其龐大的鈦寶石係統構成，基本無法搬移。目前由於(yu) 超快光纖激光器的普及，已經在體(ti) 積和成本方麵取得了巨大進步，這項諾獎技術已經為(wei) 更多人提供了便利。同時，超快光纖激光器在生物醫療領域的應用日益廣泛，不僅(jin) 可用於(yu) 分子和亞(ya) 細胞動力學的實時研究和外科手術，其非燒蝕損傷(shang) 的特點更可用於(yu) 我們(men) 熟知的近視治療與(yu) 皮膚治療。近年來，紅外光纖、半導體(ti) 光纖、光子晶體(ti) 光纖等新型光纖的出現，為(wei) 超快光纖激光器提供了更廣闊的舞台。

超快光纖激光器的發展方向

超快光纖激光器作為(wei) 諸多超快激光應用係統的核心部件，其性能是整個(ge) 應用係統的首要限製因素。然而，目前超快光纖激光器在性能方麵還有很多需要改善和提高的地方，因此其性能的提升仍舊是當前超快光纖激光器的研究方向之一。未來，更窄的脈衝(chong) 寬度、更高的功率輸出、更高的重複頻率、脈衝(chong) 形狀以及脈衝(chong) 波長範圍的拓展等是研發人員關(guan) 注的重點領域。隻有當各個(ge) 維度的性能整體(ti) 穩步提升後，才能更好地滿足不同領域的應用需求。

提升超快光纖激光器的輸出脈衝(chong) 性能，離不開從(cong) 物理層麵上係統地對超短脈衝(chong) 的形成機理和動力學特性的研究。根據激光器脈衝(chong) 整形機製的不同，大致可以分為(wei) 傳(chuan) 統孤子、展寬孤子、耗散孤子和自相似子，通過數值模擬仿真和實驗驗證，對各種類型脈衝(chong) 的形成機理和特性予以揭示，可以為(wei) 設計高性能的光纖激光器提供新的視角和理論支持，具有深刻的物理學意義(yi) 。

近期，借助於(yu) 光通信領域的蓬勃發展，多模光纖再一次受到市場青睞。隨之而來的基於(yu) 多模光纖的“時空鎖模”光纖激光器，成為(wei) 學術研究的前沿。超快光纖激光始於(yu) “光纖的非線性”，發展於(yu) “光纖的非線性”，未來更為(wei) 多樣化的超快光纖激光係統將有望問世。

當前全球超快光纖激光器市場蓬勃發展，主要市場仍由國外超快光纖激光器廠商主導，其中不僅(jin) 包括傳(chuan) 統的激光行業(ye) 巨頭，如美國Coherent、IPG、IMRA，丹麥NKTPhotonics，還有德國MenloSystems，法國Amplitude等超快光纖激光領域的後起之秀。國內(nei) 在超快光纖激光器領域起步相對較晚，但在中央政府、科研機構以及企業(ye) 近年來對超快光纖激光加大支持與(yu) 投資力度之下，已經形成華中、珠三角、長三角、環渤海四大激光產(chan) 業(ye) 集中帶，包括華銳、安揚、大族、銳科、諾派等公司大力推進超快光纖技術的產(chan) 業(ye) 化，提升國內(nei) 超快光纖激光產(chan) 業(ye) 競爭(zheng) 力，逐步實現量產(chan) 打破國外企業(ye) 在這一領域的壟斷。

隨著光纖製備成本的降低和種類開發的豐(feng) 富，光纖器件的日益成熟，易於(yu) 集成且具有高穩定性的超快光纖激光器的研發具有很高的現實意義(yi) 。但是距離超快光纖激光器完全國產(chan) 化還有一定的距離。目前雖然在基本的光纖器件領域中國的製造能力世界領先，然而包括增益光纖、飽和吸收體(ti) 等核心器件還需要進一步摸索和探究。

如今，我國在增益光纖製備方麵還需要進一步提升實力。主流的半導體(ti) 飽和吸收鏡目前全球隻有BATOP一家商用公司。雖然受製於(yu) 國外的狀況較為(wei) 明顯，但是國內(nei) 在納米材料飽和吸收體(ti) 方麵後勁十足，這也為(wei) 超快光纖激光器的未來國產(chan) 化指明了方向。按照目前的發展速度，相信在未來三到五年，中國製造的超快光纖激光器將會(hui) 在各個(ge) 領域得到更為(wei) 廣泛的商業(ye) 應用，逐步取代鈦寶石激光器，登上激光器行業(ye) 的主舞台。