从啁啾脉冲放大技术到精密光谱学光频梳,从超分辨荧光显微术到飞秒化学,这些(分别获得2018、2005、2014、1998年度诺贝尔物理奖和化学奖)举世瞩目的科学成就,无不彰显了超短脉冲激光对人类科技创新和认知力的深远影响。对超短脉冲激光的特点、表征方法、产生与放大途径等一些重要基础知识进行回顾,对用于先进制造业中的超短脉冲激光系统的基本光学结构、各种主要技术指标及实际工业加工应用中一些关键激光参数的合理选择予以介绍。最后还呈现一幅在多年教学实践基础上绘制的“超快激光光学”学习路线图,并以此作为对超短脉冲激光相关科学技术知识框架的一种整体描绘。

采用具有旋转对称性的三维空间电离模型, 对紧聚焦条件下中心波长为800 nm、脉冲宽度为50 fs的激光脉冲产生的空气等离子体的时间和空间特性进行了数值模拟, 揭示了整个等离子体区折射率的动态演化过程。计算结果表明：当激光脉冲开始聚焦时, 靠近焦点前方的空气首先被电离, 随后产生一个中心区域达到饱和、边缘具有很高折射率梯度的水滴状等离子区域; 随着激光脉冲继续向焦点传播并越过焦点, 等离子体区进一步向前延伸, 直至在焦点前后形成一个近乎对称的双卵形结构; 脉冲通过焦点区域后, 空气等离子体强度沿传播方向逐渐减弱, 直到最终完全消失; 在10倍物镜聚焦下, 脉冲能量为500 μJ、脉冲宽度为50 fs的激光脉冲产生的空气等离子体由产生到消失的整个过程约持续3 ps。理论计算结果与30 kPa低气压环境下的实验观测结果相吻合。

Sellmeier色散公式和扩展的Lorentz-Lorenz色散函数表达式是两种常用的描述不同温度条件下物质折射率与入射光波长的变化关系式。为了探讨两 者在计算光在水中色散问题的区别,运用两种不同的计算模型,在400～1100 nm波长范围内,4种不同温度下,分别模拟了蒸馏水中折射率、 群折射率、群速度色散及三阶色散随光波长的变化曲线,同时分析了由此两种不同理论计算模型给出的主要计算结果之间的差异。 结果显示,尽管由两种关系式计算得出的蒸馏水的折射率和群折射率基本相同,但群速度色散和三阶色散的结果却存在很大的差别。

本文采用共线和非共线两种大动态范围扫描三阶相关技术测量飞秒激光脉冲，并对其测量结果及其特征进行了理论和实验分析。实验发现，共线式扫描三阶相关方法由于存在基频光在空气中通过三倍频过程直接产生三次谐波的现象，导致实际能够测量的动态范围下降；而非共线式扫描三阶相关技术虽然对脉冲强度具有较高的动态测量范围，但非共线夹角和光斑的大小对测量脉冲宽度有很大的影响。理论计算和实验结果表明，非共线情况下，入射到和频晶体上的光束夹角和光斑直径越大，测量得到的脉冲宽度也越大。共线和非共线两种方式均不影响对次脉冲位置的判断，但由于非共线式三阶相关测量得到的脉冲宽度增加，主脉冲附近的小脉冲结构或者距离较近的两个脉冲将会难以分辨。

脉冲激光烧蚀高定向热解石墨(HOPG)是制备富勒烯、碳纳米管等碳纳米材料的重要方法之一。研究和认识飞秒脉冲激光烧蚀高定向热解石墨的超快物理过程，可以为探索飞秒激光烧蚀制备各种碳纳米材料提供重要的实验和理论基础。利用抽运探测技术记录了0.33~20 J/cm2不同激光能流下50 fs激光脉冲烧蚀高定向热解石墨在0~9 ns时间窗口内的超快动态过程，并且比较分析了烧蚀高定向热解石墨和烧蚀铝靶的差别。实验发现，随着入射到高定向热解石墨表面的激光能流从20 J/cm2下降到0.33 J/cm2，光热机制导致的物质去除逐渐减少，光机械机制的应力释放导致的大颗粒物质喷射逐渐成为主要的物质去除过程。分析表明，靶材的吸收系数是导致高定向热解石墨和铝靶烧蚀动态过程不同的主要因素。

Femtosecond (fs) pulse laser ablation of silicon targets in air and in vacuum is investigated using a time-resolved shadowgraphic method. The observed dynamic process of the fs laser ablation of silicon in air is significantly different from that in vacuum. Similar to the ablation of metallic targets, while the shock wave front and a series of nearly concentric and semicircular stripes, as well as the contact front, are clearly identifiable in the process of ablation under 1￡105 Pa, these phenomena are no longer observed when the ablation takes place in vacuum. Although the ambient air around the target strongly affects the evolution of the ablation plume, the three rounds of material ejection clearly observed in the shadowgraphs of fs laser ablation in standard air can also be distinguished in the process of ablation in vacuum. It is proven that the three rounds of material ejection are caused by different ablation mechanisms.

介绍了一种适合于日常高校光学或光电技术专业的研究生和高年级本科生熟悉、了解飞秒激光教学实验用的飞秒光纤激光器。该飞秒激光光源基于非线性旋转偏振效应被动锁模原理, 输出脉冲宽度为440 fs、脉宽带宽积为0.362、中心波长在1560 nm附近、平均输出功率为12 mW、脉冲重复频率为31.15 MHz。

本文从理论和实验上分析了存在拍频噪音时时域光学相干层析系统的噪音特性，给出了拍频噪音的具体估算方法.建立了描述一般时域光学相干层析系统实际噪音的简化模型，并给出了测量和寻找平衡探测光学相干层析系统最佳工作状态的方法.理论计算表明，平衡探测光学相干层析系统的信噪比受限于拍频噪音，理想情况下，最大信噪比可达100 dB左右；同时实验表明，如果实际的系统不能完全消除冗余噪音，其信噪比可能要比理论值小10~20 dB.本文的主要结果将可直接用于时域光学相干层析系统工作状态的测试和诊断当中，对频域光学相干层析系统噪音性能的分析和优化也将有所裨益.

为了更好地利用飞秒激光光源，采用自行设计的光束横截面空间光强分布测量装置研究了掺铁蓝宝石飞秒激光放大系统(美国光谱物理公司)输出的40 GW 飞秒激光束的空间光强分布特性。通过对测量系统精确标定及对输出光束光强分布的研究表明:飞秒放大系统输出激光束在低泵浦电流下的光斑质量较好，在高泵浦电流T光斑质量变差，并且观察到了光束横截面中心区域的光强较低泵浦电Y?反而减小的情况，在多通放大过程中泵浦光的光斑质量对飞秒激光束空间分布有很大影响。

提出了利用飞秒激光的多次聚焦现象进行微光学器件并行加工的方法.通过实验总结了光强和聚焦深度对该方法的影响规律,并实现了用该方法并行加工多个微光波导.对多个微光波导的间距实现了控制,其间距范围为2～5 μm.将并行加工出的光波导与单个焦点加工出的光波导做了对比,并行加工出的光波导形貌上比较接近单个焦点加工出的光波导,但其传输性能还有一定的差距.用超强光引起的自聚焦对这种多次聚焦做了理论解释,并且针对光强和聚焦深度对多次聚焦的影响做了进一步的理论分析.结果表明,这种方法相对以往的并行加工,实现简单,对加工结果的控制相对灵活.该方法利用的是超强激光特有的非线性现象,为飞秒激光的高效率加工开拓了方向.