飞秒激光器

可以使光速减慢的飞秒激光器

学员：1111414李鹏辉1111437王小平1111434田朝光1111415李曦

摘要：近年来，随着高新科技的发展，自超短频脉光学问世以来，已经历了25年的发展历程，而这时，飞秒激光器现已在工业加工中得到了应用。因为脉冲短的原因，飞秒激光器也就能拍摄到很多完全想象不到的画面。利用这个，可以对很多领域的学科进行更加细致，更加周密的系统性研究。

论文关键词：超短脉冲组合光玻色-爱因斯坦凝聚

飞秒的概念：飞秒是一种时间单位，1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即1e?15秒或0.001皮秒（1皮秒是，1e?12秒）,。它有多快呢?我们知道，光速是30万千米每秒，即

3×10^8m/s。而在1飞秒之内，光只能走0.3 μm，这只是不到一根头发丝的百分之一。

飞秒激光器是指利用锁模技术来获得的飞秒量级短脉冲的激光器。所谓飞秒，也叫做毫微微秒，即1飞秒只有10的负15次方秒。飞秒激光不是单色光，而是中心波长在800nm左右的一段波长连续变化光的组合，利用这段范围内连续波长光的空间相干来获得时间上极大的压缩，从而实现飞秒量级的脉冲输出。所采用的激光晶体为激光谱线很宽的钛宝石晶体。说白了就是一个可以以千兆分之一秒左右的超短时间放光的“超短脉冲光”发生装置。所谓脉冲光是仅在一瞬间放光。

超短脉冲激光器从上世纪80年代开始，经历了从染料到固体飞秒激光器的发展，开辟了科学和工业应用的新时代。但其昂贵的价格，庞大的体积，对环境的稳定性差等缺陷阻碍了飞秒激光的应用。探索新机理，突破现有飞秒激光局限，研制新一代飞秒激光成为世界范围内热门研究课题。自90年代初，光纤激光器利用半导体激光器泵浦，具有小巧、结构简单、无需水冷和可集成化的特点，逐步发展起来并成为钛宝石激光器强有力的竞争者和替代者。早期的飞秒光纤激光器，采用掺铒的通信光纤，工作波长1550nm，普通单模光纤色散为负，能提供与自相位调制对应的啁啾补偿，于是孤子锁模(Soliton mode locking)和展宽脉冲(Stretched pulse)锁模就成为主流机制。由于其倍频光的波长在775nm，经过拉曼移频可移到800nm附近，在商用激光器上，已经用作钛宝石放大器的种子脉冲。但是，由于铒光纤的掺杂浓度不能很高，以及锁模机制的限制，输出脉冲能量仍然很低（10pJ-10nJ量级），限制了此种光纤激光器的应用。进入新世纪后，随着高掺杂掺镱光纤激光器的发展，自相似(Self-similar)和全正色散(All-normal-dispersion)锁模理论被提出并在实验上获得证实，使光纤振荡器的单脉冲能量突破10n。

与其平行的是，90年代中期光子晶体光纤的问世，使得飞秒光纤激光器多了一个选择支。光子晶体光纤的主要特点是大模场面积光纤比普通的双包层光纤能更好地保持单模特性，在放大器上有重要应用。但是，光子晶体增益光纤特别是双包层大模场面积光子晶体光纤价格非常昂贵，远远高于晶体的价格；而且泵浦光的耦合需要在空间进行，对机械件稳定性能要求很高，不像普通单模光纤以及普通的双包层光纤有直接的光纤合成。

对于工作在1微米波段的光子晶体光纤，不同于普通的单模光纤，可以提供负色散，但也仅仅限于光纤芯径在1~2微米的光纤。在这样细的光纤中，孤子能量非常小，否则就会导致脉冲分裂，也不可能作为放大后的压缩器。由于以上缺点，除了放大器，光子晶体光纤做飞秒激光器振荡器并无明显优势。目前国内外报道的光子晶体光纤激光器，都是空间耦合的，并含有光栅对等需要空间的元件，不是低成本、抗击外部环境影响的封闭式结构。

光纤激光器的最大优点是小型化、封闭式及无水冷。如果反过来做成空间式的，那就只有效率高这样的优点，稳定性甚至不如固体激光器。因此，作为放大器的种子光源以及对小能量应用（脉冲能量小于1mJ，例如光波导的刻划、THz波的产生、精密时频传输、纠缠光子对的产生、泵浦探针测量等），普通单模光纤飞秒激光器以及普通大模场面积光纤飞秒放

大器依然发挥着不可取代的作用。著名的康奈尔大学和麻省理工学院研究小组，在光纤激光器的研究中，仍然把普通单模光纤激光器作为主要研究方向。其主要的光纤激光器创新理论和实验，都是在普通单模光纤激光器中完成的。

北京大学近两年来在863、支撑项目等课题的支持下，开展了飞秒光纤激光器的研究，取得一系列重要成果。主要成果包括：①半导体可饱和吸收镜的研制成功；②碳纳米管锁模成功；③新激光器腔型的创新。

1、半导体可饱和吸收镜（SESAM）不仅是飞秒脉冲固体激光器的核心器件，也是飞秒脉冲光纤激光器的核心器件。不同的是，在固体激光器应用中，要求SESAM的调制深度比较低（1~2％）。而光纤激光器的锁模则需要20~30％甚至50％的调制深度。根据光纤激光器的需要，我们设计和制作了适合掺铒和掺镱光纤飞秒激光器锁模的SESAM。我们设计了若干调制深度的SESAM，包括镀保护膜的SESAM。对于应用于掺铒光纤激光器的SESAM，会有严重的晶格失配问题。我们用在晶格匹配的基片生长吸收层和间隔层，在其上镀介质膜和金属膜作为反射镜，然后将基片衬底腐蚀掉的技术，首次研制成功高调制深度的掺铒光纤用SESAM 。对于掺镱光纤飞秒激光器，由于砷化镓基片与吸收材料铟镓砷的晶格有失配，若吸收层超过临界厚度，会发生位错等缺陷，导致损伤阈值的降低。我们采用了缓冲层的方法，有效地抑制了由于晶格失配导致的生长缺陷以及由此导致的损伤阈值的降低（图1(b)）。为了测量其饱和恢复时间，我们设计了专用的Pump-probe装置。测量表明，我们研制的SESAM 饱和恢复时间短只有不到2ps。所有SESAM都在光纤激光器上锁模成功。

2、除了SESAM，新世纪以来，一种新型的锁模器件：单壁碳纳米管可饱和吸收器(CNT-SAM)诞生并成为固体和光纤激光器的新宠。我们首先利用光学梯度力将CNT生长的光纤接头上，成功获得锁模；由于这种生长方式生长的CNT极易损坏，我们利用清华大学提供的新的单壁CNT薄膜结合在反射镜上，制成掺铒光纤激光器用的CNT-SAM，其特点是饱和恢复时间短(<2ps)，易于集成化。

3、新型光纤激光器。利用我们研制的SESAM和CNT-SAM，我们试验了各种腔型。无论是线性腔，还是环形腔，无论光纤多长，都可以用SESAM或CNT-SAM实现锁模。但是在环形腔内如何装着SESAM或CNT-SAM是个问题。不少激光器把可饱和吸收器放在光栅对后面，并用透镜聚焦在SESAM上。

（普克尔盒、声光调制器）、光纤展宽器和前级放大器等，具有非常大的应用价值。此技术已经申请了专利。飞秒光纤激光器已经发展了近20年，仍然不断有新的概念和新的器件创出。如果没有先进的理念，没有自己的创新器件，我国在这个领域将永远处于劣势地位。某些光纤激光器国外对我国禁运就是例证。研制自己的核心元器件，并在此基础上研制自己的飞秒光纤激光器整机，不但是创新的基础，也是产业化的基础。

照相机的闪光的发光时间是1微秒左右(即百万分之一。秒)，所以飞秒的超短脉冲光只有其10亿分之一左右的时间放光。众所周知，光速是以30万千米每秒(1秒间绕地球7周半)无与伦比快的速度飞驰而过，但是在1飞秒期间连光也只不过前进了0.3微米。而这也就是飞秒激光器可以使光速变慢的理论基础。

飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。帮助我们治疗近视疾病。

飞秒激光在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大，目前已有所应用，科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。

通常，我们用闪光摄影能够剪下活动物体的瞬间状态。利用飞秒激光器就可以将这个“瞬

间”延长，而这个时候就可以在理论上拍摄到类“静止光”。为了便于观察，我们可以利用到另一个理论观点：玻色-爱因斯坦凝聚。

玻色–爱因斯坦凝聚是玻色子原子在冷却到绝对零度附近时所呈现出的一种气态的、超流性的物态。也就是BEC。而BEC是物质的一种奇特的状态，处于这种状。的大量原子的行为像单个粒子一样。打个比方，练兵场上的士兵刚解散不久，突然指挥官发令“向东齐步走”，于是所有的士兵像一个士兵一样整齐的向东走去。如果将士兵缩小到原子尺度，以至于分辨不出谁是谁，我们便看到了“BEC”。也就是说，玻色-爱因斯坦凝聚可以有异常高的光学密度差，一般来说凝聚的折射系数是非常小的因为它的密度比平常的固体要小得多。

而由于飞秒激光器对空间的分辨率也是极高的，以至于可以追上围绕原子核运动的电子，并将它们一个个打掉，仅剩一个孤立的原子核存在。使用他对于玻色子中的粒子进行调整，可以使光速降低的效果更加显著。而相对来说，这就是另一个意义上的“时间静止”。

通过“静止”，便可以用飞秒激光器拍摄到更快速、更微妙的运动。用飞秒激光器闪光，则连以剧烈速度进行化学反应的过程，都有可能看到其反应的每个片断。而剧烈速度进行的化学反应一般的表现形式，就是发光，放热。一般的化学反应是在经过能量高的中间状态，即所谓的“活性化状态”后进行。活性化状态的存在早在1889年已由化学家阿雷尼厄斯从理论上预言，但是因为是在极短瞬间存在，所以无法直接地观察。

在这里就不得不提一下1905年，爱因斯坦订立著名的时间相对论，它指一件对象相对于另一对象移动的速度，会使时间加快或减慢。根据这个假设，一个移动中的时钟秒针应比一个静止平放的时钟秒针跳动得慢，这现象称为“时间稀释”。而“时间”的“速度”的最直观表现就是“光速”。因为在所有的惯性系中，光在真空中的传播速度中具有相同的值C。也就是说，如果以光速相同的速度进行运动，就会让自己的时间静止，如果超越了光速，就可以超越“时间”。