光电理论词典：光学中关于“超”的概念

发布时间：

2020-04-10 09:12

来源：

光电资讯

超快光学

定义：与超快现象相关的光学

超快光学是与超快现象相关的光学，这些现象发生在皮秒甚至更短的时间尺度内。通常情况下，超快光学实验所涉及的超短脉冲是由锁模激光器产生（参阅超快激光物理）。

超快现象过程由于其反生过程很短因此很难通过电学的方法直接观测，因此需要诸如泵浦探测测量等方式进行测量。通过这些技术就可以对皮秒或飞秒的时间尺度发生的现象进行监控。这些现象包括：电子的飞秒动力学（特别是在固体如半导体器件SESAMS中），光诱导相变（如金属的融化或汽化），化学反应等。

目前，超快光学正扩展到亚飞秒领域中，在这一领域可以通过高强度的超短脉冲进行高次谐波产生阿秒脉冲（或脉冲串）。

超快放大器

定义：放大超短光脉冲的放大器

超快放大器是应用于放大超短脉冲的光放大器。一些超快放大器被用来放大高重复率的脉冲列，得到很高的平均功率而脉冲能量仍然处于中等水平，另外一些情况下，低重复率的脉冲得到更大的增益，得到很高的脉冲能量以及相对很大的峰值功率。将这些强脉冲聚焦到一些目标物上时，得到非常高的光强，有时甚至大于1016 W/cm2。

作为例子，考虑锁模激光器的输出情况，脉冲重复率为100MHz，长度为100 fs，平均功率为0.1W。于是脉冲能量为0.1W/100MHz=1nJ，峰值功率小于10kW（与脉冲形状有关）。一个高功率放大器，作用于整个脉冲上，可以将其平均功率提高到10W，于是脉冲能量提高到100nJ。另外，可以在放大器之前采用一个脉冲拾取器将脉冲重复率减小到1kHz。如果高功率放大器还是将平均功率提高到10W，那么这时脉冲能量则有10mJ，峰值功率可以达到100GW。

超快放大器的特殊要求

除了光放大器的通常技术细节之外，超快装置还面临额外的问题：

尤其对于高能系统，放大器的增益必须非常大。在上面讨论的离子中，需要增益高达70dB。由于单通放大器受限于增益，通常采用多通道工作。采用正反馈放大器可以实现非常高的增益。另外，也经常采用多级放大器（放大器链），其中第一级提供高的增益而最后一级则优化得到高脉冲能量和有效能量提取。

高的增益通常也意味着对背向反射光（正反馈放大器例外）更敏感，并且更趋于产生放大的自发辐射（ASE）。在一定程度上，ASE可以在两级放大器之间放置光开关（声光调制器）得到抑制。这些开关仅在放大脉冲峰值附近非常短的时间间隔内打开。然而，这一时间间隔相比于脉冲长度仍然很长，因此抑制脉冲附近的ASE背景噪声不太可能。光学参量放大器在这一方面性能更好，因为它们只在泵浦脉冲通过时提供增益。不会对背向传播的光进行放大。

超短脉冲具有显著的带宽，可以通过放大器中的增益变窄效应来减小，因此得到的放大脉冲长度变长。当脉冲长度小于几十个飞秒时，需要超宽带放大器。增益变窄在高增益系统中尤其重要。

尤其对于高脉冲能量的系统，各种非线性效应会使脉冲时间和空间形状发生畸变，甚至会由于自聚焦效应损坏放大器。一种有效的抑制这一效应的方法是采用啁啾脉冲放大器（CPA），脉冲首先被色散展宽到例如1ns的长度，然后被放大，最后色散压缩。另一种不太常见的替代方法是采用分脉冲放大器。另一个重要的方法，是提高放大器的模式面积从而来减小光强。

对于单通放大器，只有当脉冲长度足够长从而脉冲通量达到饱和通量量级，但不会导致强非线性效应的情况下才有可能得到有效的能量提取。

一些可能性能指标的例子

对超快放大器的不同要求体现在脉冲能量，脉冲长度，重复率，平均波长等的不同。相应的，需要采取不同的装置。下面给出了一些有典型的不同类型系统得到的性能指标：

掺镱光纤放大器可以放大将100MHz的10ps的脉冲列放大到平均功率为10W。（具有这种性能的系统有时被称为超快光纤激光器，尽管它其实是一个主振荡功率放大器装置。）采用大模式面积的光纤放大器可以比较容易得到峰值功率为10kW。但是如果是飞秒脉冲，这种系统就会具有非常强烈的非线性效应。开始是飞秒脉冲，然后进行啁啾脉冲放大，可以很容易得到几个微焦耳的能量，或者在极限情况下可以大于1mJ。一个替代的方法是在具有正常色散的光纤中放大一个抛物线脉冲，然后进行色散压缩脉冲。

一个多通的体放大器，例如基于钛蓝宝石的放大器，可以提供大的模式面积，得到的输出能量在1J的量级，脉冲重复率比较低，例如10Hz。将几个纳秒的脉冲展宽是必要的，则是为了抑制非线性效应。后来被压缩到比如20fs，峰值功率可以达到几十太瓦（TW）；最先进的大系统可以得到峰值功率大于1PW，也就是皮瓦量级。小一些的系统，可以产生例如10 kHz的能量为1 mJ的脉冲。多通放大器的增益通常在10dB量级。

正反馈放大器中可以得到几十dB的高增益。例如，采用钛蓝宝石的正反馈放大器，可以将1 nJ的脉冲放大到1 mJ。另外，还需采用啁啾脉冲放大器来抑制非线性效应。

采用基于掺镱的薄盘激光头的正反馈放大器，可以将长度小于1 ps的脉冲放大到几百微焦耳，而无需采用CPA。

采用调Q激光器产生的纳秒脉冲泵浦的光纤参量放大器可以将展宽的脉冲能量放大到几个毫焦耳。在单通道工作的情况就可以达到几个分贝的高增益。而对于特殊的相位匹配结构，增益带宽非常大，因此进过色散压缩后可以得到非常短的脉冲。

商用超快放大器系统的性能指标通常远低于科学实验中得到的最好性能。许多情况下，主要原因是实验中采用的装置和技术通常由于缺乏稳定性和坚固性而无法应用于商业装置中。例如，复杂的光纤系统包含光纤和自由空间光学之间的多个跃迁过程。可以构建全光纤放大器系统，但是这些系统很那达到采用了体光学元件的系统性能。还有一些其它的情况，光学器件工作在它们的损伤阈值附近；但是对于商用装置，则需要更高的安全保证。另一个问题是需要采用一些特殊的材料，非常难以获得。

应用

超快放大器具有很多应用：

许多装置被用于基础研究。它们可以提供强脉冲用于强的非线性过程，例如高次谐波产生，或者将粒子加速到很高的能量。

大型的超快放大器在研究中被应用于激光诱导核聚变（惯性约束核聚变，快点火）。

能量在毫焦耳的皮秒或者飞秒脉冲在精密加工领域很有利。例如，很短的脉冲可以实现非常精细准确的切割薄金属板。

超快放大器系统由于其复杂性和价格昂贵很难应用于工业中，有时也因为缺乏坚固性。在这种情况下，需要在技术上更进步的发展来改善这种状况。

超快激光器

超快激光器（Ultrafast Lasers）定义：发射超快脉冲的激光器。

超快激光器通常指用于发射超短脉冲的锁模激光器，例如，持续时间为飞秒或皮秒的脉冲。更精确的叫法应为超短脉冲激光器。而超短脉冲激光器几乎都是锁模激光器，然而增益开关效应也可以产生超短脉冲。

超快激光器的种类（Types of Ultrafast Lasers）

以下简要列出了最重要的超快速激光器的种类：

钛-蓝宝石激光器，通常是克尔透镜锁模，最短可以产生持续时间低至约5 fs的脉冲。它们的平均输出功率通常为几百毫瓦，带有例如80MHz的脉冲重复频率和几十飞秒或更短，脉冲持续时间为几十飞秒或更短，导致一个极大的峰值功率。但钛-蓝宝石激光器需要来自一些绿光激光器的泵浦光，这使得它们更加复杂和昂贵。

存在各种基于例如掺镱（晶体或玻璃）或掺铬的激光晶体的二极管泵浦激光器。它们通常使用SESAM被动锁模。尽管二极管泵浦激光器的脉冲持续时间并不如钛-蓝宝石激光器的脉冲持续时间那样短，但二极管泵浦激光器在脉冲持续时间、脉冲重复率和平均功率（见下文）等方面都能覆盖很宽的参数区域。

基于掺杂稀土元素的玻璃光纤的光纤激光器也可以是被动锁模的，例如，使用非线性偏振旋转或SESAM。在平均功率，特别是峰值功率方面，它们比体激光器更受限制，但可以方便地与光纤放大器组合。关于锁模光纤激光器的文章给出了更多的细节。

锁模二极管激光器可以是整体器件或外腔二极管激光器，并且可以是主动的，被动的或混合锁模。通常，锁模二极管激光器以适中的脉冲能量在高的（数千兆赫兹）脉冲重复率下工作。

超快激光振荡器可以是超快激光系统的一部分，其也可以包括一个超快放大器（例如光纤放大器），以增加峰值功率和平均输出功率。

物理现象（Physical Phenomena）

以下超快光学和超快激光物理学的现象是与超短脉冲激光器最为相关：

克尔效应引起自相位调制，自相位调制是一种紧随着脉冲强度的折射率的变化。它也引起克尔透镜锁模。当非线性具有有限的响应时间时，会发生例如拉曼散射和自陡效应等相关非线性效应。色散对这种脉冲形成时的非线性效应有很大的影响。

用于被动锁定的可饱和吸收体引入损耗，在高的光强度下会降低。即使是所谓的缓慢吸收体，损耗的变化通常在脉冲后几个皮秒内恢复。

超快激光器及其应用的研究领域称为超快激光物理学和超快光学。它包括超快激光器中发生的各种效应，还包括可以使用超短激光脉冲进行研究的现象。这些应用领域包括，例如高强度物理学（→高次谐波的产生），频谱检测，激光光谱学和太赫兹科学。它还有广泛的工业应用，随着紧凑、高功率和成本划算的锁模激光器的出现，工业应用变得更具吸引力，包括诸如飞秒材料加工（特别是微加工，波导写入），医学治疗（例如眼科学），激光显微术和断层扫描，计量学（例如，采用频率梳），采用电光采样的高速电子学特征，通过光学采样的太赫兹光谱学，和光纤通信。

超短脉冲产生领域的发展（Developments in the Field of Ultrashort Pulse Generation）

超短脉冲发生领域已经发展了大约三十年，因此被认为是相对成熟的。一些最重要的或多或少已实现的进展如下：

虽然染料激光器早期在该领域占主导地位，但染料激光器已经几乎完全被长寿命、高功率和高效率的二极管泵浦固体激光器所取代。基本上只有几个特殊的光谱区域仍然使用染料激光器。其竞争对手是同步泵浦光学参量振荡器。

一个重要的技术发展是主要用于被动锁模的重要器件的半导体可饱和吸收镜（SESAMs）[11]。尽管这些器件自20世纪90年代初已经开始使用，但是随着SESAM设计的改进、更广泛的可用半导体材料、改进的制造技术、特别是通过对其极限应用的掌握，即极端参数的实现。现今，SESAMs可用于涉及脉冲持续时间、激光波长和功率水平的非常宽的参数区域。

固体激光器（未进行外部脉冲压缩）可达到的脉冲持续时间已经下降到5.5 fs左右，对应于大约两个光学振荡周期（几个周期脉冲）[5,6]。这是用克尔透镜锁模钛蓝宝石激光器实现的。所得到的光谱非常宽，具有大约一个倍频程（倍频程展宽光谱）的超宽带宽，尽管半峰全宽（FWHM）通常稍微较小。

使用脉冲压缩技术可以进一步缩短超短脉冲。先进的压缩设置允许低于3 fs的脉冲持续时间（尽管在此参数范围内脉冲持续时间的概念变得非常重要）。高次谐波产生的技术甚至允许在极紫外光谱区域产生阿秒脉冲。

二极管泵浦的固体激光器，特别是基于掺镱的固体激光器，已经开发到具有高达80W的极高的平均功率[10,12]和几十微焦的脉冲能量[13]。这种进步是基于薄盘激光头、对调Q不稳定性的理解提高、可饱和吸收体的损伤问题、谐振腔设计，最重要的是对所有这些方面的复杂相互作用的清晰认识。

具有微型谐振腔的[[Nd：YVO4激光器]]和掺铒激光器已经开发出来，用于产生具有几十GHz或甚至高于100GHz的极高脉冲重复率的脉冲串[9]。这主要需要优化的谐振器设计和对调Q不稳定性的更好理解。这种激光器发出具有中等平均输出功率的皮秒脉冲，通常远低于1W。

多年来锁模半导体激光器的输出功率非常低，新型光泵浦被动锁模垂直外腔表面发射激光器（VECSELs）已被证明同时具有高（多千兆赫）的脉冲重复率和几十瓦的平均输出功率。

已经验证非线性频率转换（例如，使用光学参量振荡器）在非常高的平均功率水平下也能正常工作。在某些方面，这种机制甚至可以比低功耗设备简单。对于某些应用（例如激光投影显示器（→RGB源）），覆盖更宽的波长范围则至关重要。

未来发展展望：

固体增益介质的可选材料仍在不断增多。已经开发出具有令人关注的特性的新型激光晶体材料，它具有非常优异且全新的性能。例如，新型掺镱增益介质如三次氧化物和钨酸盐甚至比用于薄盘激光器的Yb：YAG在超短脉冲具有更高的功率，或者在较高功率水平下具有更短的脉冲。另一方面，超宽带增益介质如Cr2+：ZnSe应当适用于在2.7μm附近的光谱区域内产生20 fs或更短脉冲持续时间，尽管这个期望还由于目前不是很清楚的原因而尚未实现。（强非线性特性可能是一种解释。）

即使没有改进的增益介质，也可以使被动锁模的薄盘激光器达到超过100W的更高的功率级。

锁模光纤激光器[14]在几年来在性能上一直表现出令人印象深刻的进步。预计这一发展将会持续下去。另参见关于光纤激光器与体激光器的文章。

用于较低的频率重复率的超快放大器装置（主要是二极管泵浦再生式放大器）对于材料加工非常有利，例如，用于微加工。

近些年，被动锁模的VECSEL很有潜力进一步提高性能，特别是在几十GHz重复率与几十瓦输出功率和/或亚皮秒脉冲持续时间方面。此外，晶圆级技术的应用可以非常低的成本制造锁模VECSEL，从而使得具有严格成本限制的新的应用领域成为可能。

关于应用场景，可以预见会产生更多的领域。需要注意的是，某些参数区域也只是最近才被一些激光光源达到，因此在应用方面中工作的人可以开始考虑使用这些激光源，其中一些很快将会在市场上销售。期待超快技术获得进一步重视并取得新的令人兴奋的发展是现实的。

超快激光物理

超快激光物理（Ultrafast laser physics）定义：与超快过程相关的激光物理

超快激光物理是与超快过程相关的激光物理，这些过程发生在皮秒、飞秒甚至更短的时间内。其中特别重要的是关于超短脉冲光的产生过程。这种现象包括：

在激光传播下的超快非线性现象，如克尔效应，拉曼散射和四波混频等；

超快激发：在半导体诸如半导体可饱和吸收镜和激光二极管中的饱和和释放现象；

激光增益介质中的超快过程，例如在稀土掺杂激光晶体中的斯塔克水平下的歧管热化；

激光器中的超短脉冲形成（参阅锁模）。

超短脉冲

定义：脉宽为皮秒或者更短的光脉冲

锁模激光器，特别是被动锁模的锁模激光器，产生的光脉冲可以是非常短的。对于“超短”的范围并没有严格的定义，但一般来说超短脉冲的脉宽最多也就数十皮秒，大多数情况下，其脉宽为飞秒量级。

需要注意的是与超短脉冲经常出现的一个概念为“超快”（ultrafast），事实上超短脉冲并没有比更长的脉冲具有更快的速度，只是超短脉冲通常可以用来研究超快过程（参阅超快光学），也可以用于高速光学数据传输。后者的高速指的是高传输速率，而不是高传输速度。

超短脉冲通常通过被动锁模激光器产生，但有时也利用光参量放大器（可能是使用超连续进行输入）或自由电子激光器。有时也可以利用更长的脉冲进行脉冲压缩得到超短脉冲。超快激光器一文列出了超短脉冲产生的方法和特征，其中包括仅有几个光学周期的脉冲产生。

超短脉冲通常是以激光束的形式产生的。本质上来说，它们可以被集中到很小的光斑，但是多种限制因素在超短脉冲尤其是几个周期的脉冲时产生很大的影响。例如，这种脉冲的超宽的光学带宽会导致透镜材料的色散产生很大问题，从而导致了聚焦时的色差问题，这种问题需要进行特殊校正技术进行解决。这还会导致复杂的时空问题，使得聚焦的脉冲脉宽比聚焦前的脉宽大。针对这种扭曲的措施包括使用反射或衍射（而不是折射）的光学设计以及各种像差的仔细补偿，如使用合适的镜头组合。

超短脉冲在介质中的传播会引起一系列有趣的现象，在涉及到光学非线性时尤为明显。这些现象可以用模拟脉冲传播的方法进行研究。相关的物理效应包括色散，克尔效应，拉曼散射，增益饱和等等。

有多种方法用于脉冲基本参数的测量来进行脉冲的表征，不仅仅包括基本的参数如脉冲脉宽，还有是“完整”表征如整个时域上的电场和谱相位。这些结果可以以各种方式，例如时间上或频域上的函数以及光谱图。

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