1 超短脉冲激光简介

1.1 超短脉冲激光和超快激光

超短脉冲(USP)激光的一大特点是脉宽非常短,是无比短暂的闪光。但究竟多短才称为“超短”,在激光科技领域,一般把时间宽度在百ps即10^-10s(1 ps=10^-12s)至几fs(1 fs=10^-15s)之间的脉冲激光称为超短脉冲激光。超短脉冲激光器则是通常所说的皮秒激光器和飞秒激光器的统称。由于超短脉冲激光被广泛用于探测科学与工程技术领域中的超快动态过程,如原子中电子态激发、分子振转动弛豫时间、材料与电子器件(乃至高速电子检测仪器)的动态响应及各种爆炸冲击波的瞬态记录等,因此超短脉冲激光也常称为超快激光。由此,重点研究超短脉冲激光的光学分支,也被称为“超快光学”或“超快激光光学^[1-3]。

理论上,超短脉冲激光在空间中某一固定点处所对应的光波电场E(t)可表示为

E(t)=E0(t)cos[ω0t+φ(t)],(1)

式中,E₀(t)是振幅包络函数,ω₀是载波的中心圆频率,φ(t)是缓变化的相位因子。一般情况下,振幅包络和相位因子都是随时间的变化量。振幅包络函数E₀(t)的时域分布决定脉冲的形状,典型超短脉冲激光的形状有高斯型、双曲正割型、准方波型(或高阶高斯型)、抛物线型等。相位因子φ(t)意味着脉冲的载频可能不是常量(或存在频移),它与脉冲频率啁啾直接相关。

图1为按照(1)式计算的脉宽为15 fs、中心波长为800 nm、脉冲形状为高斯型的超短脉冲激光的归一化电场和瞬态光强。瞬态光强正比于E₀(t)的平方,其分布曲线的半峰全宽(FWHM)被定义为脉宽。这个计算结果显示,当脉宽很短时,在脉宽内所包含的光振荡周期数就会相应减少。如对于中心波长为800 nm的光,其光频振荡周期约为2.67 fs,如果脉宽为5.5 fs,则脉宽内仅含2个光周期。这样的超短脉冲有时也被称为少数周期脉冲,是超短脉冲中的短脉冲,如双周期脉冲或单周期脉冲。在脉宽内脉冲周期数给定的前提下,光周期越短(等同于光频越高或光波长越短),脉宽就越短。在双周期脉冲的例子中,如果中心波长不是800 nm而是8 nm,则光频周期将变为0.027 fs,脉宽将会是0.05 fs(50 as)。实际上,这也正是目前为止实验中获得的阿秒脉冲都处在X射线波段的一个原因。

图 1. 脉宽15 fs、中心波长800 nm、无啁啾高斯型超短脉冲激光的归一化电场(虚线)和瞬态光强(实线)

Fig. 1. Normalized electric-field strength (dashed curve) and transient intensity (solid curve) of 15-fs chirp-free Gaussian laser pulse with central wavelength of 800 nm

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1.2 超短脉冲激光与超强激光

脉冲的峰值功率是脉冲能量与脉宽之比,即使在低能量的情况下,超短脉冲激光仍可以具有非常高的峰值功率。例如:脉冲能量为100 μJ、激光脉宽为10 ps时,峰值光功率为100 μJ/10 ps=10 MW;脉冲能量为10 μJ、脉宽为100 fs时,峰值功率则达到100 MW。(如果脉宽是10 ns,则这两种脉冲能量的峰值光功率仅为10 kW和1 kW,分别低了3个和5个数量级)。因此具有高峰值功率的激光脉冲经光束聚焦后,在焦点位置处的光强度极高。在这2个具体例子中,假定焦点处的光斑大小为10×10 μm²,则焦点处的光强分别为10¹³ W/cm²和10¹⁴ W/cm²。目前世界上一些最强大的超短脉冲激光系统的峰值功率已经步入几十乃至上百PW(1 PW=10¹⁵ W),即10¹⁶~10¹⁷ W量级,其聚焦后的峰值光强预计在10²²~10²⁴ W/c m211。这样高的光强所对应的电场强度将达到10¹²~10¹³ V/cm,高出原子内部电子与原子核之间的库仑场3个数量级。

值得指出的是,以微观层面参与相互作用的有效光子数目来划分,光与物质相互作用有5个截然不同的层次:1)单光子-线性光学区;2)少数光子(双光子或三光子)-普通非线性光学区;3)多光子-强场区;4)极多光子-相对论场区; 5)在光场作用下电子质动能高出其相对论能m_ec²的超相对论场区。这5个作用区所对应的光能密度由低到高不断增加,直至光强达到10²⁴ W/cm²。对从事研究光与物质相互作用的这5个区,尤其是后3个区域(或统称为高场物理)的科学家而言,超短脉冲激光是不可或缺的重要科学工具^[12]。在实际应用中,超短脉冲激光技术的发展与非线性光学技术相辅相成。通过用强fs激光在气体介质中产生多光子电离和极短波长的高次谐波,国际上已有多个研究团队获得了脉宽小于100 as(即10^-16s)的脉冲^[13]。

1.3 超连续光与光频梳

超短脉冲激光由于光强很强,在与稀有气体、玻璃材料或光学晶体相互作用过程中会伴随着各种非线性光学效应,如自相位调制、四波混频、自聚焦、光孤子自频移等。在一定条件下,这些非线性效应综合在一起会产生谱宽非常宽的新光谱成分,即所谓“超连续光”^[14]。与普通宽带光源不同,这种新型的超连续(或超宽带)光源不仅光谱强度高,而且可以保持(在一定程度上可控的)很强的时间、空间相干性,这决定了超连续光的作用不仅可以提高测量灵敏度和信噪比,而且可以扩大测量范围和适用性。因此,它可以用于光学相干层析、超快时间分辨光谱、光学参量放大器(可调谐相干光源)的种子光源、产生更短的激光超短脉冲等方面。因此,超连续光在计量、遥感、激光光谱学等各分支领域内得到了广泛的应用。

和任何其他形式的波动信号一样,超短脉冲激光作为光波段的短暂电磁波也存在时域与频域两种表述,两者互为傅里叶变换关系(图2中用双向箭头来表示)。对于单一光脉冲,其傅里叶频谱是具有一定宽度的单一平滑光谱线,脉冲越窄,谱线宽度越宽。当光脉冲为周期性脉冲序列时,其傅里叶频谱由一系列等间隔的窄谱线组成。脉冲周期T对应谱线间隔Δν_m,即T=1/Δν_m,脉宽则由所有窄谱线合在一起的光谱包络线的宽度来确定。由此可见,欲产生超短脉冲激光,尤其是要产生飞秒激光脉冲,激光器的增益谱宽必须足够宽。例如掺钛蓝宝石激光器,其增益谱宽可达到200 nm以上,可支持小于10 fs的激光脉冲。超短脉冲激光序列的等间隔频谱构成了极为精准的频率标尺,称为光频梳。脉冲越窄,频率梳也就越长。脉冲序列的重复性越好、越平稳,频率间隔则会越精准。超短脉冲激光光频梳的产生为频率计量和超精密光谱学领域的发展带来了革命性的推动作用^[15]。

图 2. 超短脉冲激光时域、频域表述的对应关系示意图,两者间满足傅里叶变换关系

Fig. 2. Relationship between time- and frequency-domains of ultrashort laser pulses. Two domains form Fourier transform pairs

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2 超短脉冲激光的表征

2.1 描述超短脉冲激光的主要技术参数

表1为超短脉冲激光的基本物理量及量与量之间的基本关系。实际应用中超短脉冲激光的空间特性十分重要,因为它会直接影响激光脉冲能流和激光脉冲强度。需要注意的是,脉冲激光的能流(密度)这个参数并不包含时间因素,但在光与物质相互作用或激光加工应用中,相同能流条件下,脉宽不同可能会产生截然不同的作用结果。

除脉宽、平均功率、脉冲重复频率外,衡量超短脉冲激光质量的两个非常重要的基本技术指标是时间带宽积(TBP,T_BP)和光束参数积(BPP,B_PP)。TBP是脉宽与相应光谱宽度的乘积,表征超短脉冲激光时间光谱特性;BPP是光束直径与光束发散角的乘积,描述激光脉冲的空间传输特性,理论上TBP和BPP各自均存在最小值,分别称为带宽(或傅里叶变换)极限和衍射极限,这两个极限条件对应理想情况。衍射极限也可等价于无量纲的物理量M²。M²与BPP的关系在表1中给出,通常M²≥1,M²=1即对应衍射极限。TBP在理想情况下的取值与具体脉冲波形有关,如达到带宽极限的高斯型脉冲的TBP为0.443,双曲正割型脉冲的TBP为0.315。

经过光放大系统放大后的超短脉冲激光与相应的入射光相比,一般情况下光束质量会有所下降。但通过设计与工程优化,大多数超短脉冲激光产品还是能够保持基模或准基模的线偏振高斯光束输出状态,根据需要,通过光束变换也可以将高斯型分布的超短脉冲激光转变为类平顶光束及贝塞尔光束^[16]。在光偏振态敏感的应用中,超短脉冲激光的偏振比,即主要偏振方向能量与垂直方向的残余偏振分量光能量之比,也是一个需要严格控制的技术指标。在某些应用中,需要用到具有圆或椭圆偏振态的超短脉冲激光,这可以在光路中加入1/4波片实现。不过,需要额外注意的是,当脉冲的宽度在几十fs以下时,光路中任何器件及材料色散作用不能被忽略。

当飞秒激光脉冲的宽度短至仅含少数几个光场振荡周期时,以CEP(Carrier Envolop Phase)描述的脉冲包络最大峰与脉冲载波振荡峰之间的时间差就变得十分重要。CEP实际上也就是 (1)式中相位φ(t)为缓变量时所对应的常数项,CEP的不同会导致一些非线性光学实验产生截然不同的效果。这就使得是否具有CEP锁定功能成为少数周期超短脉冲激光器的一个重要的附加技术特征。在光频梳应用中,CEP的稳定也至关重要。

2.2 两条反映脉冲激光重要基本关系的直线

图3为脉冲能量与脉冲重复频率的关系曲线,其中假定平均功率为30 W。对于平均功率高(或低)于30 W的情况,只需向上(或下)适当平移图3中的曲线。该曲线表明,对于给定的平均功率,脉冲重复频率越高,则单脉冲能量越低,这一重要的基本规律与脉宽无关,无论对fs、ps、ns脉冲均适用。对于超短脉冲激光系统而言,通常光路前端的锁模激光器的工作点在脉冲能量-脉冲重复频率曲线的右下方区域,而经过光放大器后,其工作点会移至关系曲线的左上方区域。类似于平均功率给定情况下脉冲能量与脉冲重复频率的关系,光通量(即脉冲能流)确定时脉冲光强相对脉宽的关系,是另一个对脉冲激光应用而言十分重要的关系曲线。图4为能流密度F分别为100 J/cm²、10 J/cm² 和1 J/cm²三种情况下的光强脉宽曲线(计算值),同时标出几种典型应用的脉宽与光强的实验数据点。由图4可以明显看出,脉冲能流密度一旦确定后,脉宽越窄,则脉冲峰值光强越强,这也正是在激光加工过程中,超短脉冲激光所对应的峰值光强往往会远高于纳秒激光的原因。在激光加工中光强不同时,激光与材料作用的物理过程往往不同(如相变、熔化、气化、电离、直接原子化等),从而导致最终加工效果不同。图4的实验数据点说明,不同的激光加工应用通常对应光强-脉宽曲线的不同区域。在某些要求特定光强的应用中,比如在金属表面生成接近完全无损的精细黑标,使用超短脉冲激光时(参见图4中部下方的星型标记),虽然其光强可与类似应用中的纳秒脉冲接近,但它的能流密度要明显低于纳秒脉冲激光。能够在较低能流密度的情况下仍然获得很高的峰值光强是超短脉冲激光加工的一个重要基本特征。 图3Fig. 3图4Fig. 4

2.3 超短脉冲激光的量子图像

从量子理论的角度出发,可将经过透镜聚焦后的超短脉冲激光视为以光速传输的十分致密的“光子团”,如图5所示,图中w为入射光脉冲的半径,f为透镜焦长,w_f为透镜焦点处的光斑半径,δz是光脉冲在传输方向上的空间尺度。脉冲越短,δz将会越小。光子团在三维空间中任一瞬间的径向延展由光束聚焦条件给出,沿传输方向上则由脉宽乘以光速来确定。如一个10 ps的激光脉冲,其在传输方向上的空间尺度约为3 mm,而一个100 fs的激光脉冲则仅为30 μm左右。超短脉冲激光的局域高密度光子团图像对于认识光与物质相互作用的非线性现象、理解超短脉冲激光微细加工的基本原理大有裨益。光子密度越大,发生非线性作用的可能性越大,同时非线性效应的阶次也越高。正是由于这种很高的光能密度,超短脉冲激光可以在自身总能量并不高、甚至仅有μJ甚至nJ量级的情况下,仍然能够对材料产生烧蚀或其他改性效果,从而实现三维空间内近乎于数字化的微小尺度精准加工。 图5Fig. 5为说明聚焦后的超短脉冲激光作为三维空间中微小区域内高密度光子团,在与物质相互作用中的威力与加工精细度,给出会聚的近红外飞秒激光烧蚀GaAs晶体表面和近红外皮秒激光刻写硼硅玻璃表面微点阵2个实例,如图6所示。前者是作用点的原子力显微镜扫描图像,后者是光学显微镜记录的照片。从图6(a)中清楚地看到,在单个50 fs激光脉冲作用下,样品表面形成了直径5~6 μm的小烧蚀坑,在小坑周边有大量纳米尺度小颗粒存在。图6(b)是高重复频率50 ps脉冲串通过光束焦点快速扫描玻璃样品上表面后产生的结果,其中点间距为20 μm,扫描速度为4 m/s。每个点均由3个脉冲组成的脉冲串产生,每个脉冲串内相邻脉冲间隔为12 ns。在更高倍显微镜下观测可以发现,这些直径约为10 μm的点表面烧蚀程度很微弱,产生小点的原因主要是临近表面下方区域玻璃折射率的改变。 图6Fig. 6

3 超短脉冲激光的产生

3.1 锁模激光器

绝大多数超短脉冲激光器在稳定运行过程中,激光腔内仅存在一个光脉冲,如图7所示。每当该脉冲传输到激光谐振腔的输出端时,其中一部分透过输出镜,形成输出光脉冲。而剩余部分在激光腔内往返一次,并经过腔内光增益介质的放大后,再次回到输出镜时,又产生一次输出,如此周而复始,即产生了周期性的激光超短脉冲序列。相邻脉冲间的时间间隔(即脉冲周期)等于光脉冲在激光腔内往返一次的时间,简称为腔周期。在图2中,超短脉冲激光序列的频谱是由一系列非常接近单色波的谱线构成的,每条谱线对应激光器的纵模。所有纵模的整体频宽受限于激光增益介质的有效增益线宽。在特定条件下,这些频率不同的简谐波相干叠加便形成了超短脉冲,这个特定条件被称为“锁模”(Mode Locking),即相邻纵模间的频率间隔和相位差严格相等,所以一般情况下,超短脉冲激光器也常被称为“锁模激光器”。脉宽大于10 ps的激光也可以通过 “增益开关”(Gain Switching)法来产生。这种方法主要适用于电激励的半导体激光器,及光泵浦的具有薄层饱和吸收体的超短腔固态激光器。与锁模相比,增益开关法产生ps超短脉冲在技术上要相对简单,其核心是对激光腔内光场的有效增益实现快速调制。除了脉宽不能做到很窄、脉冲的TBP值偏大外(一般高于锁模方法产生的脉冲),这种增益开关法的另一个局限性是输出激光的平均功率一般比较低,实际应用中还要另加前置光放大器。在一台锁模激光器中,除了激光增益介质和腔镜外,还需要用到能够帮助实现锁模的专门器件,即锁模器(Mode Locker)。锁模器可以是声光调制器或饱和吸收体。声光调制器好比放在激光腔内的周期性光开关,其开、关光的周期等于腔周期;饱和吸收体则对自由运转激光腔内起伏光场中的强脉冲光近乎完全透明,而对连续本底光产生强吸收的脉冲自选择器件。与声光调制器不同,饱和吸收体不需要外加驱动信号。因此,采用声光调制器的锁模又被称作“主动锁模”,而通过使用饱和吸收体实现的锁模则被称为“被动锁模”。一般来说,单纯主动锁模产生的脉宽通常在10 ps以上。这主要是实际激光腔的等效长度始终处在微小变化当中,从而难以实现锁模器的外部驱动信号与光脉冲在腔内往返时间的严格匹配。20世纪80年代末,英美科学家们发现,当把发生在激光增益介质中的克尔效应与激光腔内光束分布适当地结合在一起时,也可以起到等效于饱和吸收体的选脉冲作用,这种情况被称为“克尔透镜锁模”,其在掺钛蓝宝石飞秒激光器中被广泛应用。目前世界上作为产品出售的具有最短脉宽(脉宽小于5.5 fs)的超短脉冲激光器^[17]采用的即是这种克尔透镜锁模技术。对于飞秒激光器尤其是飞秒光纤激光器而言,激光腔内材料和器件的色散作用会严重影响脉宽和脉冲波形。因此,除锁模器之外,飞秒激光器还必须采用适当的色散补偿装置,如棱镜对、光栅对、啁啾镜、特种色散光纤等,如图7所示,对激光腔内的色散进行严格控制或调节,从而使激光器根据不同需求运转在特定的负、正色散区或零色散临近区,这是飞秒激光器与皮秒激光器的一个重要区别。 图7Fig. 7通常情况下锁模激光器输出脉冲的重复频率较高,因此单脉冲能量会相对比较低。如假定一台锁模激光器的平均功率为10 W,脉冲频率为100 MHz,那么单脉冲能量仅有0.1 μJ。为获得较高能量的超短脉冲激光,曾经存在一种在脉冲激励激光器或脉宽较宽的调Q激光器内实现锁模的方法。这种情况下,长脉冲激光器的重复频率一般很低(比如只有100 Hz左右), 因此以长脉冲作为包络的锁模脉冲的能量便能得到很大提高(一个长脉冲包络内所包含的超短脉冲个数可以有几十或上百个)。为了对在普通连续运转和脉冲运转激光器中实现锁模的两种情况有所区分,前者被称为“连续锁模”,后者被称为“脉冲锁模”或“调Q锁模”。实际应用中,由于脉冲锁模激光器的脉冲稳定性一般比较难控制,现在这种方法已很少使用。而由连续锁模加脉冲选择器(pulse picker)和激光放大器的技术方案则被广泛采用。

3.2 超短脉冲激光放大器

对诸多应用而言,尤其对激光加工来说,直接由锁模激光器产生的激光单脉冲能量往往还不够高(一般在几到几十nJ,最高可以到达上百nJ),因此,通常要另加上激光放大器,组成主振荡器功率放大器(MOPA)结构。激光放大器一般可以包含多个放大模块,分别称为前级放大、预放,最后端为功率放大。为避免超短脉冲激光在放大过程中由于峰值功率过高而造成器件损伤,在脉冲被放大之前,需要先通过光学色散元件把脉冲展宽,而后再放大,放大之后再通过具有相反色散特性的色散器件,把脉冲压缩回原来或接近展宽前的宽度。这种情况下,被展宽的脉冲即为带频率啁啾的脉冲,啁啾脉冲被放大器放大之后,再通过压缩器将啁啾消除(或补偿)掉,这就是获2018年诺贝尔物理奖的啁啾脉冲放大(CPA)技术。简言之,采用CPA技术的超短脉冲放大器包括激光脉冲展宽器、脉冲放大器和脉冲压缩器。经常使用的脉冲展宽器由光栅-曲面反射镜-折返镜构成。对超短脉冲光纤激光器而言,展宽器也可以是特制的光纤光栅。脉冲压缩器常用光栅对或由单个光栅与屋脊反射镜组成的等效光栅对构成^[9],这是因为这些器件可以引入非常大的色散,相对而言比较方便(色散)调谐,这使得超短脉冲中不同频率成分的光通过这些器件时传输的距离不一样,由此形成低频光在前、高频光在后(或反之的啁啾脉冲)的情况,即在时间维度上,不同的光频成分被极大地错开(或错开后又被补偿到接近重合),从而实现脉冲展宽(或压缩)的目的。 图8Fig. 8传统超短脉冲激光放大装置大多采用块状固体器件。而块状增益材料一般很难做到又细又长,从而使得其单程增益往往不够高。这种情况下,为有效提高光放大倍率,同时避免采用复杂的光束折返来实现光束反复通过单块增益介质获得多次放大(即所谓多通放大)途径,人们经常采用一种“再生放大”的方法,即把提供光放大的增益晶体放在光谐振腔内,使注入腔内的种子光脉冲在其中多次往返,当种子光脉冲被放大到最大值时,再借助电光开光将其导出腔外。从某种意义上来说,再生放大器也可以等效为一种更高效的多通放大器。再生放大器的光增益可高达10⁵以上。在输入种子光比较微弱,放大器增益介质的单程增益不够高的情况下,使用再生放大将比较有优越性。根据需要,再生放大器之后可再加功率放大级。对工业超短脉冲激光系统而言,经过光放大后的激光超短脉冲能量可以达到几十至上百μJ,甚至mJ量级,这取决于放大器的效率和数量,并与脉宽和脉冲重复频率密切相关。近十年来,鉴于光纤激光器和光纤激光放大器的快速发展,工业用超短脉冲激光系统的光学结构在基本技术方案上有了更多的选择,如图8所示。它们分别为固体种子源加固体放大器,光纤种子源加光纤放大器,及光纤种子源加固体放大器或固体种子源加光纤放大器。目前来看,这些光学结构的优劣,取决于对其中一些具体技术细节、成本等关键因素的把握程度。但对于既有高平均功率又有高脉冲能量的fs激光和短ps激光而言,固体激光器仍占主导,主要原因有:1)一般来说,固体种子源与固体放大的脉冲质量易于控制,尤其在色散管理方面,但缺点是物料和生产成本均较高,整机的集成难度较大。而全光纤结构对整个光学系统的色散平衡要求很高,难以同时获得高质量和高能量的超短脉冲激光。2)与固体器件相比,由于光纤导光截面小、增益介质的长度长,较高脉冲能量的光纤放大器的非线性效应、色散影响、材料损伤问题都会变得更为严重。不过对于高重复频率、低脉冲能量的超短脉冲激光的放大来说,光纤结构具有比较显著的竞争力。在此需要指出的是,光放大器并不仅限于基于原子中电子共振吸收和跃迁机理。实现光放大还可基于材料的非线性效应,即光学参量放大(OPA)^[18]。该技术通常采用一些特殊的非线性光学晶体(如LBO、BBO、KDP等)作为增益介质。当CPA技术用于参量放大过程时,人们便称其为光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)^[19]。OPCPA的突出特点是能够适用于宽光谱范围,具有波长转换或调谐功能,同时由于几乎没有放大自发辐射的影响(增益介质没有储能),可以达到很高的信噪比。此外,因为没有吸收过程,所以其效率高,热管理简单。目前,OPCPA的超短脉冲激光系统的应用主要是科学研究中用于产生不同波长的激光超短脉冲,在工业加工中的应用尚为鲜见。

3.3 超短脉冲激光系统主要光学结构

图9为具有脉冲串选择功能的超短脉冲激光系统的典型光学结构原理框图。在采用锁模激光器的方案中,为实现脉冲串内脉冲数的选择控制功能,在种子源与放大器之间加入一个光调制器1即脉冲选择器(通常使用声光或电光晶体)。而前端采用增益开关的方案中,脉冲串的产生可以直接通过调制半导体激光器的电驱动信号来实现。此外,为避免实际使用过程中由于高功率激光系统(特别是功率放大器部分)通过瞬间增减泵浦源电流实现快速开关光切换所伴随的热稳定性问题(光斑形状、大小、光束发散角、M²等激光参数均随泵浦强度而变化),在激光放大器之后加入一个专用于调控输出光功率大小的光调制器2,从而使得在激光器运行中激光系统的泵浦电流始终保持恒定值。使用光调制器不仅可使光脉冲灵活切换,为选单、选双、选N个脉冲提供方便,也使获得有任意脉冲幅度调制曲线的激光输出成为可能。这种调制不仅可以施加于如图9右端所示脉冲串内的脉冲,也可用于在更长时间范围内对不同脉冲串的幅度调制。对工业用USP激光器来说,其输出脉冲串内相邻脉冲的时间间隔(通常在10 ns左右)由锁模激光器的腔长所决定,因此一般情况下是一个不可调节量。此外,需要指出的是,为防止实际应用中发生部分光恰好返回超短脉冲激光器系统光路中,造成对光学元件的损伤或引起光学系统不稳定,一般会在各级激光放大器前后尤其是各级光纤放大器间加入光隔离器。 图9Fig. 9显然,超短脉冲激光器系统是光、机、电、控和软件的综合系统。仅仅关注其光学结构和相关的光学原理还远远不够。在实际应用,尤其是激光加工应用中,需要考虑超短脉冲激光器的其他重要参量,包括外形尺寸、重量、功耗及能效、使用寿命、造价,安全性、动态特性、智能化程度(远程诊断与参数更新)等,及是否易维护、控制界面是否用户友好、能否有效避免用户误操作、对使用环境要求是否苛刻,抗振、抗湿、抗电磁干扰能力,在供电起伏或电力冲击下能否做到不易损坏同时仍能保持正常运转等诸多方面。图10为自1960年世界首台激光器问世以来,人类取得的最高峰值光强和最大峰值功率的大致增长曲线。从图中可以看出,在激光发明后的短短几年内,激光峰值功率和光强(即功率密度)有了快速的提高,这主要源于调Q技术和锁模技术的出现;而在20世纪60年代中后期至80年代中期的较长一段时间内,最大激光峰值功率和光强的增长则相当缓慢,这主要是由于功率达到MW量级后,光路中的光学器件极易出现损伤;到了1985年,CPA技术被提出后,光学器件损伤瓶颈才被成功克服,从而在此后最大激光峰值功率和光强得以保持持续增长,在30余年的时间中增加了约10个数量级,平均每年升高约1倍。 图10Fig. 10需要指出的是,图10中的结果并没有给出对应的脉宽的信息。对于许多工业加工应用而言,即使是超快激光,其激光功率密度往往并不需要超过10¹⁵ W/cm²。图10所示结果说明,对超短脉冲激光系统而言,在皮秒激光下的有些情况可以不用CPA技术;而在飞秒激光下,由于材料损伤阈值对脉宽的依赖关系,及同样脉冲能量下飞秒激光对应更高的峰值功率,CPA技术是必须的选择。由图10还可以看到第1节中提到的光与物质相互作用的5个不同层次中的3个,即多光子-强场区 (对应光强10¹⁴ ~10¹⁸ W/cm²)、极多光子-相对论场区(光强>10¹⁸ W/cm²)、 超相对论场区(10²⁴ W/cm²)都需要有CPA技术的保障。不采用CPA技术所能达到的功率密度,人们基本上只能研究单光子-线性光学区(光强<10⁸ W/cm²)和少数光子(双光子或三光子)-普通非线性光学区(10⁸ ~10¹² W/cm²)中的问题。

4 超短脉冲激光应用中的激光参数选择

超短脉冲激光技术的影响极其广泛,如在精密测距、测时、测频,超高速时分复用光通信,强场与超强场,视力矫正,受控核聚变,微纳尺度加工等诸多领域均有非常重要的应用。在这些广泛的应用中,除在2.1节中列出的基本参数外,脉冲波形和脉冲组合也会起关键作用,本节结合快速发展的超短脉冲激光工业加工应用需求,给出关于激光波长、脉宽、能流等主要参数的基本性选择指南。

4.1 超短脉冲激光波形、脉冲串模式的重要性

根据经典的锁模激光器理论,稳定运转的锁模激光器内的光脉冲必须满足自洽条件,即超短脉冲激光在光谐振腔内每往返一次回到起始位置时,振幅和相位必须完全复现之前在同一位置上的状态。由此,科学家们推导出,主动锁模所产生的符合自再现条件、稳定的超短脉冲激光的脉冲波形为高斯型^[21-22],而被动锁模的光脉冲形状则是双曲正割型^[23-25]。近年来,锁模光纤激光器的发展和相应锁模理论模型的改进大大扩展了人们对激光谐振腔内可能存在的稳定激光脉冲形态的认识。除高斯型、双曲正割型外,它还可以是抛物线型及其他各种复杂的复合型脉冲形状^[26-27]。而这些复合脉冲波形一般都不具有解析表达式。尽管如此,与超短脉冲激光波形的理论描述相比,真实的超短脉冲激光器的输出脉冲波形可能更复杂、更多样化,这一方面源于实际条件与理论假设的偏差;另一方面是那些未被纳入理论模型中的一些重要因素的影响,如实际光放大系统中的自发辐射及来自光路中任何光学界面的残余反射、法布里-珀罗调制效应等便是影响超短脉冲激光波形质量的非常重要的因素。特别是当脉冲的基底较大时,以FWHM定义的3 dB脉宽将不足以描述激光超短脉冲的时域特性。对此,有必要关注其他不同定义下的脉宽,如5 dB、10 dB、20 dB宽度等,或是标示出给定脉宽内的脉冲能量占总能量的比例。当剩余反射引入的次脉冲(又称卫星脉冲)不能被忽略时,则需对次脉冲的幅度及其与主脉冲的时间间隔甚至时序加以明确的限定。在激光加工中,如果所用超短脉冲激光含有大的本底或次脉冲时,这意味着脉宽范围内的能量仅占整个脉冲能量的很小部分,即实际有效(或起加工作用的)脉宽将大大增加。近年来,随着超短脉冲激光技术的不断进步,在工业加工应用中,可供选择的超短脉冲激光的参数范围及种类都得到了很大扩展,这当中最为重要的一个新加控制参量就是脉冲串(Pulse Burst)的脉冲个数。实践证明,在超短脉冲激光加工中,这是一个可以对加工效果产生很大影响的工艺参数^[28-29]。目前,国内外不少超快激光器的生产厂家都将这一功能集成到工业用皮秒或飞秒激光系统产品中(见表2)。当然,不同厂家的激光器在改变脉冲数后对系统平均功率的影响可能略有不同,可供选择的脉冲串内的最大脉冲数目也会不一样。显然,如果平均功率保持不变,那么脉冲串内脉冲数目的增加则意味着单脉冲能量按比例减小,在脉宽和聚焦光斑均不变的前提下,等同于峰值光强与能流密度下降,对应于图4中的工作点垂直下移。在这种情况下,可将图3中所表达的脉冲能量与脉冲重复频率的关系理解为脉冲串(即多个脉冲组合的)能量与脉冲串重复频率之间的关系。不过,因为脉冲串重复频率和脉冲串总能量未改变(总平均功率未变),在图3曲线上对应的工作点将不会随着脉冲数的变化而移动。一般来讲,脉冲串内脉冲数的选择与具体应用密切相关,和其他激光参数,尤其是平均功率和重复频率的设置也紧密关联。对于单脉冲能量过高的情况(对较低重复频率的超短脉冲激光这种情况比较常见),通过采用分脉冲的方法,即增加脉冲串内的脉冲数来减少单脉冲能量,可以有效防止能流或光强太强造成的材料破坏,同时有利于提高加工精度和效率。反之,在单脉冲能量不够高的场合,通过增加脉冲串内的脉冲数,使多个小脉冲合并成一个大脉冲,也会提高激光作用下的材料烧蚀率。

4.2 激光波长、脉宽、脉冲能量与重复频率的选择

超短脉冲激光加工可谓是激光加工中的精密加工,因此激光参数及相应工艺参数的合理选择对于改善加工效果变得更加重要。表2汇总了国内外一些具有一定代表性的工业用超短脉冲激光器产品的主要技术指标。为易于比较,分别按皮秒红外激光器、飞秒红外激光器、皮秒绿光激光器、皮秒紫外激光器予以列出。关于USP激光器产品的更多信息,读者可参考厂家网站发布的技术指标页和相关介绍。从这些列出的技术指标看,如平均功率、单脉冲能量和脉宽这几个重要参数,国内的皮秒红外激光产品已在一定程度上接近国外产品,而飞秒红外激光器(除脉宽外)的差距尚较大,皮秒绿光和皮秒紫外激光器的整体差距(特别是单脉冲能量和脉冲稳定性方面)仍然比较明显。实际激光加工应用中,经常会遇到如何选择合适的激光器或激光参数的问题,为了回答这一基本问题,需要了解具体加工要求、加工类型、材料(材质与材料结构)、加工速度与加工质量的量化指标。因材料对入射光的吸收特性与激光波长密切相关,此外聚焦光斑大小、光束发散度、单光子能量及材料去除机理也都受激光波长的影响,由此可以了解紫外激光在这些方面的显著优势。而超短脉冲激光与物质相互作用时间短,其高的峰值强度将引起多光子吸收和多光子电离,从而导致材料在微小局域内的快速升温和更大幅度的温升,乃至直接达到材料的某些极端热力学状态。超短脉冲激光具有不同于ns脉冲和长脉冲激光的材料加工机理,决定了它可以实现nm级的微小尺度加工和最小化的热影响区。从材料传热特性的角度来说,超短脉冲激光的脉宽应该选择小于传统傅里叶热传导定律不再适用的情况下所对应的临近脉宽^[30]。对大多数金属材料,这个临界脉宽约在10 ps左右。长脉冲激光加工中存在的等离子体屏蔽效应在超短脉冲激光加工中几乎不存在或大为削弱。飞秒激光加工情况下,多光子吸收、多光子电离引发的新的能量吸收耦合机制,使得材料波长相关的线性吸收特性变得不再重要。换言之,一定强度的飞秒激光可以有效地加工任何材料,从超硬陶瓷、金刚石,到超软的高分子透明薄膜,乃至易燃易爆的固体炸药。

图11为激光波长与脉宽在精密激光加工中的整体特性比较。其中,纵轴表示可以达到的加工精细度或质量,横轴代表加工速度和脉宽。就加工精度而言,飞秒激光高出皮秒激光,皮秒激光高于纳秒激光,粗略地认为这3个脉宽区域基本上分别对应μm(或亚μm)、十μm及百μm量级的精度。而从加工速度的角度来说,纳秒激光最快,皮秒激光次之,飞秒激光最慢。在脉宽相同的区域内,紫外激光的加工精度一般高于绿光加工精度,绿光加工的精度一般高于红外激光的加工精度,即波长越短可能达到的加工精度越高。从图11中可以得知,单纯从加工精度的角度来看,紫外纳秒激光的某些应用,应该可由皮秒红外或皮秒绿光来实现,这的确已在实践中得到验证。

图 11. 超短脉冲激光加工中激光波长与脉宽的大致选择指南

Fig. 11. Approximate selection guide of wavelength and pulse duration in USP laser machining

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对超短脉冲工业激光器而言,波长与脉宽大都不是可调谐量,因此需在激光器选型时确定。虽然脉宽对加工来说很重要,但并非越窄越好。现实当中,脉宽的选择与具体应用密切相关。一旦波长和脉宽确定,平均功率和脉冲重复频率则是面临选择和优化的两个重要激光参数。如图12所示,在脉冲重复频率给定情况下,如果加工中脉冲能量(或平均功率)过高,则激光脉冲高出加工阈值部分对应的时间宽度将会大于真实脉宽,这意味着实际有效脉宽的提高。换言之,脉冲能量高出阈值能量越多,脉冲内超过加工阈值的时间宽度便越大,即这种能量相关的脉冲增宽效应将越显著。行业界时常会有超短脉冲激光加工是冷加工的说法,但这其实有严苛附加条件,这个附加条件就是其他激光工艺参数也必须选择得当,其中最为重要的是平均功率、脉冲重复频率和聚焦条件。如果这些参量选择不当,仍然会导致热加工现象。

图 12. 脉冲能量对实际烧蚀宽度的影响(虚线代表烧蚀阈值)

Fig. 12. Effect of pulse energy on actual ablation pulse duration (dotted line represents ablation threshold)

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激光加工中,脉冲重复频率的重要性往往还表现在可以通过增加重复频率来提高加工时效。但当重复频率和脉冲能量均很高,即平均功率很高时,超短脉冲激光亦会产生很强的热累积现象,使加工效果达不到或严重偏离所要实现的冷加工效果^[31]。由此可知,在单脉冲能量确定后,脉冲重复频率的选择并非越高越好。其他一些工艺参数如光束扫描速度、扫描图案、加工中产生的粉尘抽离效率、工件材料热特性及外部冷却速率等都将影响最佳重复频率的选取。实质上,最终脉冲重复频率的选择归结为加工速度与加工质量间的合理平衡。此外,高重复频率超短脉冲激光加工中的热累积效应并非都是坏事,在超短脉冲激光玻璃焊接的应用中,反而需要利用这种热累积效应^[32]。

5 “超快激光光学”学习路线图

综上所述,超短脉冲激光领域的科学技术内涵极其丰富。由于篇幅所限,本文只是对超短脉冲激光及其应用的相关基本知识进行介绍,忽略了对产生超短脉冲激光的锁模机制的讨论,没有给出对飞秒激光色散补偿原理的分析,未涉及超短脉冲激光脉宽的测量方法,未能介绍超短脉冲激光工业应用中材料烧蚀的关键机理等诸多重要内容。

2003—2014年间,笔者之一曾在南开大学现代光学研究所讲授《Fundamentals of Ultrafast Laser Optics(超快激光光学基础)》课程^[8]。作为光学和光学工程研究生的选修专业课,该课程以全英文授课,试图对超短脉冲激光的表征、测量、产生、传输、放大、频率转换及典型应用的相关科学与技术知识进行比较全面的介绍。为便于同学们对课程内容的学习交流和整体概览,笔者在对这一课程多年教学实践的基础上,编辑了一张“超快激光光学”学习路线图,如图13所示。此次,借此介绍超短脉冲激光相关基础知识之际,将该图中、英文版更新整理、公诸于众,希望能够对关注超快激光及其应用的专业人士有所裨益。

以下是对“超快激光光学”学习路线图的简要注释和说明。

图 13. “超快激光光学”学习路线图

Fig. 13. Learning map of ultrafast laser optics

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《超快激光光学基础》课程共分八章,内容分别是:超短脉冲激光的基础、超短脉冲激光的测量、超短脉冲激光的产生、超短脉冲激光在线性系统的传播、超短脉冲激光在非线性系统的传播、超短脉冲激光的放大、超短脉冲激光的频率转换和超短脉冲激光的应用。每一章通常有四到五节来进一步讨论更具体的主题。以第二章(超短脉冲激光的测量)为例,它的四个章节分别是线性测量、自相关和互相关测量、谱图测量和迭代算法等脉冲测量技术。

为了激发选修这门课程学生的兴趣,从而促进相应的学习和教学过程,借鉴了快速发展的北京地铁系统的轨道交通图(2013年版),构建了“超快激光光学”学习路线图。在这张图中,每条地铁线路都与一个特定的章节相关联,每一个站点都对应一个技术关键词,这个关键词要么是一个基本概念,要么是超快激光光学中的一个重要现象。

例如,地铁1号线也是北京20世纪70年代修建的第一条地铁线路,它与第一章(超短脉冲激光的基础)相关联。因此,如果乘坐这条主要由东西走向构成的地铁,从西端的首站电场出发,引出光脉冲的基本表达式,然后将会依次向东遇到振幅、相位、载波频率、脉冲形状、瞬时频率、频率啁啾、脉冲强度、脉冲持续时间等等。这条路线上的所有站名用来表示超短脉冲激光的一些最重要的基本参数。在1号线的另一端,站点有一个“时间带宽积”的名字,毫无疑问,这也是学生旅客需要掌握的一个重要的概念。此外,1号线中部附近,两个站名为“能流密度”和“峰值功率”分别对应于实际地铁系统的天安门西和天安门东,这与天安门象征中国几个世纪以来的政治权力中心相匹配。

第二章(超短脉冲激光的测量)与2号线相对应,2号线是一条在城市中心区域运行的环形线路。这在某种程度上标志着超短脉冲激光测量需要的反复和循环,而且不可避免地会与其他一些路径(或章节)相互连接。第三章与地铁10号线相关联,10号线是一条更大圈的环线,作为一条延伸更广的线路,它提供了45个站点来展示与超短脉冲激光产生相关的技术概念或关键词。第四章和第五章分别与南北走向的地铁4号线和5号线相关联,包括南下的大兴线和东南向的亦庄线。需要注意的是,尽管4号线有几个转弯,看起来没有第5行那么线性。但第四章(4号线)实际上是沿着线性系统进行脉冲传播的,而第五章(5号线)是针对非线性系统的脉冲传输。

第六章(超短脉冲激光的放大)对应于地铁线路图北部区域的倒u型13号线,加上向北部和东北部延伸的两条线路,即昌平线和15号线。在这条线上可以找到ASE、增益窄化、光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)、光学损伤、放大效率、能量提取效率、脉冲展宽器、脉冲压缩器等站名。将第七章(超短脉冲激光的频率转换)的关键词和重要概念,映射到9号线、14号线以及西南方向的房山线。这些也是北京地铁系统较新的几条线路。另一条新线路6号线,几乎与1号线平行但在几公里之外的北部,与第八章(超短脉冲激光的应用)的关键词相关联。沿着这条线,可以找到与应用相关的技术术语,如THz产生,fs-LASIK, TPF显微镜,频率梳等。

连接2号线、10号线和13号线的8号线曾是连接2008年奥林匹克公园为数不多的几个车站的专用线路,但后来进一步向北扩展。在“超快激光光学”学习路线图中,将一些与基本光学概念或独特光学现象相关的关键词如偏振比、数值孔径、超连续体、锥型辐射等加入到8号线。显然,这些术语及其内涵与超短脉冲激光有着密切的关系。但该条线路不是在一个更固定的主题下。至于独特的机场线,认为分配给两个终端的最好站名分别为“拍瓦激光”和“阿秒技术”,这意味着通过大量“超快激光光学”基本路线的旅行后,从这里可以出发进入到两个更加令人兴奋的和具有挑战性的科学领域。

显然,在构建“超快激光光学”学习路线图时,为确保相互关联的交叉站点使用的站名或关键词对所有在此交汇的线路都有意义,是需要做一些努力思考的。例如,13号线和10号线的两个关联站点,名称分别为:增益介质和增益窄化。显然,理解这两个术语对第三章(超短脉冲激光产生)和第六章(超短脉冲激光放大)都很重要。另一个例子, 2号线、4号线以及13号线共同的交叉站点,命名为脉冲的“时空扭曲”,这意味着这种现象或相关技术问题在第二章、第四章以及第六章的内容中,应该同时被关注到。也就是说,时空畸变问题在这三章中都有重要的论述。

最后,超短脉冲激光除了在那些分别具有超强(能量密度)、超快(特性变化)、超精密(尺度和定位)特征的科学研究中的重要应用外,在大规模集成电路芯片模版修复、芯片内部缺陷无损检测、航空涡轮发动机叶片钻孔、燃油发动机喷嘴钻微孔、微流体生物芯片微加工、纳米尺度光电器件制造、视力矫正眼科手术、3C领域超薄或柔性显示屏和印刷线路版切割等关键工业技术领域中的应用也已是方兴未艾、影响重大,无可替代。超短脉冲激光相关应用技术的快速发展,从某些层面来看,甚至已经超过了人们对其中的诸多基本原理的理解步伐。为此,很有必要通过重温那些重要的相关基础知识,使我们能够站在更坚实的科学基础之上,在超短脉冲激光及其相关应用的关键技术竞争中占有一席之地。