浅述飞秒激光的特性和实现途径

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  飞秒激光是一种以脉冲形式运行的激光,接续时间非常短,只要几个飞秒,一飞秒就是10的负15次方秒,也就是1/1000万亿秒,它比利用电子学方法所得到的最短脉要冲短几千倍,几乎是人类当前在实验条件下所能得到的最短脉冲。这是飞秒激光的第一个特性。飞秒激光的第二个特性是具备非常高的刹时功率,可达到百万亿瓦,比当前寰球发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特性是,它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域,使电磁场的强度比原子查对其四周电子的作用力还要高数倍。

  飞秒激光的这些特性是怎么样实现的呢?高功率飞秒激光系统由四部分构成:振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内,利用一种特殊技术得到飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开。放大器使这一展宽的脉冲得到充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再见聚到一起,复原到飞秒宽度,从而产生具备极高刹时功率的飞秒激光脉冲。

  飞秒激光有什麽用处呢?尽人皆知,物质是由分子和原子构成的,但是它们不是静止的,都在快速地运动着,这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的呈现令人类第一次在原子和电子的层面上观查到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现,飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通信等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是,因为飞秒激光具备快速和高辩白率特性,它在病变初期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制作上都有其奇特的长处和不可代替的作用。

  物质在高强度飞秒激光的作用下会呈现非常独特的现象:气態、液態、固態的物质顷刻间变成等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞可以产生硬X射线飞秒激光,产生β射线激光,产生正负电子对。

  高功率飞秒激光在医学、超精密微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展远景。高功率飞秒激光还能将大气击穿,从而制作放电通道,实现人工引雷,防止飞机、火箭、发电厂因自然雷击而造成的灾害性粉碎。利用飞秒激光可以非常有效地加快电子,使加快器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用,可以产生足够数量的中子,实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条全新的途径 。

  飞秒激光是曩昔20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲是如此的短,当前已达到了4fs以内。1飞秒(fs) ,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒,如果将10fs作为几何平均来权房屋宙,其寿命仅不过1min罢了;飞秒脉冲又是如此之强,选用多级啁啾脉冲放大(CPA)技术得到的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦(TW,即1012W)乃至拍瓦(PW,即1015W)量级,其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全数光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。飞秒激光美满是人类创造的奇迹。

  近二十年来,从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器,乃至之后的二极管泵浦的全固態飞秒激光器和飞秒光纤激光器,尽管说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新,但最猛进展莫过于得到超飞秒脉冲变得轻而易举了。桑迪亚国家实验室的R.Trebino说:“曩昔10年中, (超快)技术已有明显改进, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运改变得简练和稳定。这种激光器现在人们已可买到, 而10年前, 您却必须本身设立。”比如,著名的飞秒激光系统生产商美国Clark-MXR公司将产生高功率飞秒脉冲的所有部件全数集成到一个箱子里,选用掺铒光纤飞秒激光器作为种子源,加上不必调剂(NO Tweak)的特殊设计,产生世界上唯一无二,超稳定、超紧凑的CPA2000系列钛宝石啁啾脉冲放大系统。这种商品化的系统不需要飞秒专家来操控,完全可以广泛运用于科研和工业上的很多领域里。

  按照飞秒激光超短和超强的特性,大体上可以将应用研讨领域分成超快瞬態现象的研讨和超强现象的研讨。它们都是伴随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 产生好多种时间辩白光谱技术和泵浦/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讨进入微观超快过程领域, 并始创了一些全新的研讨领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 令人们可以研讨半导体的纳米结构(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别接收光谱、泵浦/ 探测技术, 研讨光合作用反应中间的传能、转能与电荷分手过程。超短脉冲激光还被运用于信息的传输、处理与存贮方面。第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运行始于1988年,这一功效标记取在实验室内飞秒超强及超高强光物理研讨的开始。在这一领域研讨中,因为超短激光场的作用已相当于或极大超过原子中电子所受到的束厄局促场,微扰论已不能建立,新的理论处理有待于发展。在1020W/ cm2的光强下,可以实现摹拟天体物理现象的研讨。



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