超短脉冲激光研究

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摘要：通过求解麦克斯韦-布洛赫方程，研究了脉冲激光与介质的相互作用，从理论 上探讨在不同时域范围，慢变幅近似和旋波近似两种近似方法对于研究激光与介质相 互作用过程的适用性。研究表明慢变幅近似和旋波近似两种近似适用于纳秒及皮秒范 围，当脉冲持续时间接近几个光波周期时，旋波近似和慢变幅近似将不再适用。

关键词：超短脉冲激光 麦克斯韦-布洛赫方程 慢变幅近似 旋波近似

一、引言

激光的出现是二十世纪最重要的发现之一, 也是光学发展史上的第三个里程碑。 随着激光技术的迅速发展,人们已经可以产生单个周期或更短的激光脉冲,这种超短脉 冲光束在传输过程中其时间和空间变换具有许多新的特点,例如空间和时间的耦合引 起的时间微分效应、Guoy相移引起的时间反转、极反转等等[1-6]。

最近在超短脉冲技术方面的快速发展，使得光与介质相互作用的研究进入了一个 全新的领域，目前无论从理论还是实验方面，人们都开展了大量的超短脉冲激光与原 子和分子相互作用的研究工作[7-9]。在实验方面，利用超快激光来研究有机分子和生物 分子等量子体系中的各种超快过程、获得超连续谱以及测量分子的内禀属性。如人们 在实验上测量了分子的超极化率，并可测量通过一定厚度的分子溶液的非线性光强度 来确定分子材料的双光子吸收截面。在理论方面，研究人员建立理论模型研究了超短 脉冲在介质中的传播过程，得到了一些新的脉冲传播性质，为超短脉冲激光技术的发 展和实验结果的解释打下了理论基础。针对脉冲持续时间中包含很多光波周期情况， 在旋波近似和慢变幅近似下，采用二能级模型得到了一系列有趣的现象，包括自感应 透明、拉比振荡、光子回波。

二、超短脉冲激光

（一）超短脉冲激光的发展

脉冲激光技术自1965年用被动锁模红宝石激光器获得皮秒级脉冲而进入超短范围 以来, 发展十分迅速。70 年代中出现了对撞锁模环形染料激光器, 使激光脉冲的宽度 进入飞秒范围。至80 年代中, 对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽度达到了27飞秒(fs)。

1986年, 中科院西安光机所陈国夫在英国进修期间利用对撞锁模环形染料激光器创造 了19fs 的当时国际最短记录。1991年国际上出现了自锁模钛宝石激光器, 当时产生了60fs 的脉冲。钛宝石固体飞秒激光器调谐范围宽(650～11200nm), 荧光带宽(理论上可 以支持产生3fs的脉冲), 可靠性高, 使用方便。它的出现掀起了国际上发展飞秒激光技 术与应用飞秒脉冲的热潮。钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度1993 年降至11fs,1994年降至8fs, 1996年西安光机所的许林在奥地利产生了7. 5fs的超短激光脉冲, 1996年, 毕业于西安光机所的魏志义博士在荷兰创造了全固态腔倒空压缩后4.5fs的记录,而1998年西安光机所的程昭则在奥地利利用超宽带啁啾镜腔外压缩,获得了4fs的最佳结果.以上这些都是当时的国际最高指标。

与获取更短脉冲同步, 超短脉冲技术的另一重要发展是实现了半导体激光器(LD)泵浦的Nd: YAG激光器(1988, 55ps)、LD泵浦的Cr:LiSAF脉冲激光器(1994, 47fs, 1995,24fs)以及近年利用LD泵浦Nd:YVO4 倍频后泵浦钛宝石产生 12fs 的全固态钛宝石激光 器。飞秒激光技术发展的另一重要方向是利用啁啾脉冲放大(CPA)技术获取超高功率。 超短脉冲激光技术,当前达到的水平大体如下:固体激光器直接产生的脉冲宽度已 缩小到5fs(1fs=10-15s),经压缩的最短脉冲为4fs;出现了用半导体激光器(LD)泵浦的全固 体化的飞秒激光器,使飞秒激光器体积更小、工作更稳定寿命更长、使用更方便; 开发 了多种激光介质和放大介质, 除Ti ∶Sapphire 外, 尚有Cr3+∶LiSAF ，Cr3+∶LiCAF ，Cr4+∶YAG和Nd∶YVO4 等；发展了宽调谐的飞秒激光系参量振荡(OPO)及参量放大(OPA),拓了飞秒激光的波长可调谐范围. 目前OPO 的频率已可覆盖178mm～20μm ,而 OPA则可做到613fs、5J,波长(550～700) nm 及4fs、1J， 波长(900～1300) nm ; 出现了 全光纤的超短脉冲激光器;发展了单次或重复频率10Hz的桌面型TW级固体飞秒激光器. 这类系统的峰值功率已达100TW(1TW=1012W)以上,可以提供1020W/cm2 的功率密度, 为开展强场物理创造了条件.目前已利用25fs的高功率激光脉冲在氦气中实现了221 次 的高次谐波, 从而获得了相干可调谐的已进入水窗范围的X射线。

（二）超短脉冲激光的特点

我们知道光在1秒内能绕地球7周半，当其脉冲的脉宽为100fs时，其前进的距离只 有30μm,约为毛发直径的1/3。若光束孔径为3mm，则它成为纵横比为100的薄片状光束。若在100fs的极短时间内集中能量，其峰值功率极大。介质的折射率因波长不同而异（色散），因为超短脉冲的频谱宽度宽，在光脉冲 通过介质时，即使在低强度脉冲不同波长的成分也以不同的传输速度通过。无论将脉 冲强度降低多少，脉冲也会展宽。特别时10fs级的脉冲，只能通过几厘米的石英窗口 及光学元件，超短脉冲也要展宽到100fs左右。

（三）超短脉冲激光的应用

超短脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术 和泵浦探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入 微观超快过程领域,并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导 体相干光谱、高超高强度科学与技术等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们 可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体) 中的载流子动力学。 在生物学方面, 人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。 超短脉冲激光还将应用于信息的传输、 处理与存贮方面。我国早在1991 年就启动了“八五”攀登计划项目:“飞秒激光技术与超快过程研究”, 比日本早4 年, 体现了国家在这一重要科技领域急起直追的战略部署和科技主管部门 的远见卓识。中科院西安光机所侯洵等人开展了“飞秒激光技术与超快过程研究”, 在飞 秒激光技术与超快速测量技术方面取得了许多重要成果。 “九五”期间, 这一研究中的 一些内容在攀登计划预选项目“强场激光物理与飞秒超快过程研究”中得到了延续。

参考文献：

[1] Kaplan A E.Diffraction-induced Transformation of Near-cycle and Subcycle Pulses [J].J.Opt.SocAm.B,1998,15: 951-956

[2] Ranka J K,Gaeta A L. Breakdown of the Slowly varying envelope approximation in the Self-focusing of Ultrashort pulses[J].Opt. Lett.,1998,23:534-536