激光技術(shù)是20世紀(jì)與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的科技四大發(fā)明之一，自1960年世界上第一臺紅寶石激光器問世以來，以激光器為基礎(chǔ)的激光技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和科學(xué)研究，從方方面面走進(jìn)了人們的生活。
與傳統(tǒng)長脈沖激光及連續(xù)激光不同，超快激光作為激光器家族的年輕成員，其高峰值功率和超短脈沖持續(xù)時(shí)間引起的非線性效應(yīng)，不僅能夠作為物理、化學(xué)、生物、材料與信息科學(xué)等學(xué)科中的基本工具，直觀地探索微觀世界中粒子的超快動力學(xué)行為，而且能夠解決許多常規(guī)方法難以達(dá)到的高精尖實(shí)際應(yīng)用問題。
與發(fā)展更為成熟的固體激光器相比，光纖激光器綜合性能更為優(yōu)異，兼具高可靠性、優(yōu)質(zhì)光束質(zhì)量、高穩(wěn)定性、易與光纖系統(tǒng)兼容的性能優(yōu)勢，和結(jié)構(gòu)緊湊、易于維護(hù)、散熱性好的生產(chǎn)優(yōu)勢，被譽(yù)為“第三代激光器”，承載著超快激光技術(shù)的未來。
超快光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)
◆鎖模啟動機(jī)制
超快激光一般指脈沖寬度在皮秒和飛秒量級的脈沖激光，鎖模技術(shù)作為激光器產(chǎn)生超短脈沖的重要技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關(guān)系，使不同模式的激光周期性的建立起相長干涉，從而產(chǎn)生脈沖激光。
光纖激光器的鎖模技術(shù)可分為主動鎖模和被動鎖模，其中被動鎖模無需外界調(diào)制元件，僅通過腔內(nèi)光纖的克爾效應(yīng)或者利用材料型的可飽和吸收體，即可實(shí)現(xiàn)脈寬很窄的超短脈沖，其得到更廣泛的應(yīng)用。
目前主流的鎖模啟動機(jī)制包括基于材料型可飽和吸收體的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、碳納米管、石墨烯、金屬納米顆粒等，和基于克爾效應(yīng)的非線性光纖環(huán)路反射鏡、非線性放大環(huán)路反射鏡以及非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)。
◆脈沖放大技術(shù)
超快光纖激光振蕩器輸出功率一般僅在幾毫瓦至百毫瓦量級，盡管飛秒脈寬的超短脈沖激光的峰值功率比長脈沖激光高出數(shù)個(gè)量級，在工業(yè)制造應(yīng)用的驅(qū)動下，進(jìn)一步提高激光峰值功率是激光技術(shù)領(lǐng)域的追求目標(biāo)。
然而隨著多級放大提高脈沖峰值功率，強(qiáng)度依賴的非線性克爾效應(yīng)會導(dǎo)致光束質(zhì)量的破壞甚至?xí)p傷元件，激光強(qiáng)度的進(jìn)一步發(fā)展遭遇巨大瓶頸。
啁啾脈沖放大技術(shù)的原理
（圖片來源：瑞典皇家理工學(xué)院）
直到1985年，Gerard Mourou和Donna Strickland從微波放大技術(shù)中獲得啟示提出了“啁啾脈沖放大技術(shù)”（Chirped Pulse Amplification），有效地解決了這一問題，兩位科學(xué)家憑借這一技術(shù)在2018年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，是超快激光發(fā)展的里程碑。
啁啾脈沖放大過程就是將種子脈沖在一段很長的光纖中傳播，由于其頻譜包括不同的頻率分量，不同的頻率分量傳輸速度不同，因而在傳輸過程中脈沖寬度得到展寬，則相應(yīng)的峰值功率得到了降低；然后將被展寬的脈沖進(jìn)行放大，即可有效抑制非線性效應(yīng)；放大之后再利用壓縮器將脈沖壓縮至原來的寬度。
“啁啾管理”因此成為了高功率超快光纖激光的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。之前還有學(xué)者提出了“預(yù)啁啾”放大技術(shù)，為飛秒脈沖放大提供了新的思路。
超快光纖激光器的應(yīng)用優(yōu)勢
超快光纖激光器作為新一代激光器，可以理解為超快技術(shù)與光纖激光的結(jié)合，結(jié)合了超快激光和光纖激光的雙重優(yōu)勢。10年前，超快光纖激光器仍停留在基礎(chǔ)科研領(lǐng)域，運(yùn)用于科研機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室中，在非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)、精密光學(xué)測量、太赫茲等科研領(lǐng)域作為強(qiáng)有力的研究工具，起著重要作用。
隨著超快光纖激光制造技術(shù)的快速發(fā)展，核心器件如泵浦源、雙包層光纖、光纖光柵等制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(zhuǎn)化落實(shí)在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中。
以稀土元素?fù)诫s的光纖作為激光增益介質(zhì)的超快光纖激光器，由于光纖表面積大、易于散熱，能夠做到小型化、高效率且低成本，在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢凸顯。同時(shí)，超快激光與傳統(tǒng)長脈沖以及連續(xù)激光相比，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
超短脈沖激光與長脈沖激光的優(yōu)勢對比
（圖片來源：Amada Miyachi America Inc.）
由于超快激光與材料相互作用的時(shí)間極短，將能量極快地注入很小的作用區(qū)域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運(yùn)動方式發(fā)生變化，在根本上避免了能量的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化以及熱能的存在和熱擴(kuò)散造成的影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制，在精密微加工、航空航天、消費(fèi)電子、汽車制造、光伏能源等工業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)出色。
值得一提的是，光頻梳系統(tǒng)最早由極其龐大的鈦寶石系統(tǒng)構(gòu)成，基本無法搬移。目前由于超快光纖激光器的普及，已經(jīng)在體積和成本方面取得了巨大進(jìn)步，這項(xiàng)諾獎(jiǎng)技術(shù)已經(jīng)為更多人提供了便利。
同時(shí)，超快光纖激光器在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，不僅可用于分子和亞細(xì)胞動力學(xué)的實(shí)時(shí)研究和外科手術(shù)，其非燒蝕損傷的特點(diǎn)更可用于我們熟知的近視治療與皮膚治療。近年來，紅外光纖、半導(dǎo)體光纖、光子晶體光纖等新型光纖的出現(xiàn)，為超快光纖激光器提供了更廣闊的舞臺。
超快光纖激光器的發(fā)展方向
超快光纖激光器作為諸多超快激光應(yīng)用系統(tǒng)的核心部件，其性能是整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的首要限制因素。然而，目前超快光纖激光器在性能方面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(dāng)前超快光纖激光器的研究方向之一。
未來，更窄的脈沖寬度、更高的功率輸出、更高的重復(fù)頻率、脈沖形狀以及脈沖波長范圍的拓展等是研發(fā)人員關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。只有當(dāng)各個(gè)維度的性能整體穩(wěn)步提升后，才能更好地滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
提升超快光纖激光器的輸出脈沖性能，離不開從物理層面上系統(tǒng)地對超短脈沖的形成機(jī)理和動力學(xué)特性的研究。根據(jù)激光器脈沖整形機(jī)制的不同，大致可以分為傳統(tǒng)孤子、展寬孤子、耗散孤子和自相似子，通過數(shù)值模擬仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對各種類型脈沖的形成機(jī)理和特性予以揭示，可以為設(shè)計(jì)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(xué)意義。
近期，借助于光通信領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，多模光纖再一次受到市場青睞。隨之而來的基于多模光纖的“時(shí)空鎖模”光纖激光器，成為學(xué)術(shù)研究的前沿。超快光纖激光始于“光纖的非線性”，發(fā)展于“光纖的非線性”，未來更為多樣化的超快光纖激光系統(tǒng)將有望問世。
當(dāng)前全球超快光纖激光器市場蓬勃發(fā)展，主要市場仍由國外超快光纖激光器廠商主導(dǎo)，其中不僅包括傳統(tǒng)的激光行業(yè)巨頭，如美國Coherent、IPG、IMRA，丹麥NKT Photonics，還有德 國Menlo Systems，法國Amplitude等超快光纖激光領(lǐng)域的后起之秀。
（a）德國Menlo Systems飛秒光纖激光器
（b）武漢華日精密激光飛秒光纖激光器
國內(nèi)在超快光纖激光器領(lǐng)域起步相對較晚，但在中央政府、科研機(jī)構(gòu)以及企業(yè)近年來對超快光纖激光加大支持與投資力度之下，已經(jīng)形成華中、珠三角、長三角、環(huán)渤海四大激光產(chǎn)業(yè)集中帶，包括華日激光等公司大力推進(jìn)超快光纖技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，提升國內(nèi)超快光纖激光產(chǎn)業(yè)競爭力，逐步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)打破國外企業(yè)在這一領(lǐng)域的壟斷。
隨著光纖制備成本的降低和種類開發(fā)的豐富，光纖器件的日益成熟，易于集成且具有高穩(wěn)定性的超快光纖激光器的研發(fā)具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。但是距離超快光纖激光器完全國產(chǎn)化還有一定的距離。目前雖然在基本的光纖器件領(lǐng)域中國的制造能力世界領(lǐng)先，然而包括增益光纖、飽和吸收體等核心器件還需要進(jìn)一步摸索和探究。
如今，我國在增益光纖制備方面還需要進(jìn)一步提升實(shí)力。主流的半導(dǎo)體飽和吸收鏡目前全球只有BATOP一家商用公司。雖然受制于國外的狀況較為明顯，但是國內(nèi)在納米材料飽和吸收體方面后勁十足，這也為超快光纖激光器的未來國產(chǎn)化指明了方向。
按照目前的發(fā)展速度，相信在未來三到五年，中國制造的超快光纖激光器將會在各個(gè)領(lǐng)域得到更為廣泛的商業(yè)應(yīng)用，逐步取代鈦寶石激光器，登上激光器行業(yè)的主舞臺。
