中國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)正面臨深度轉(zhuǎn)型和升級(jí)，激光技術(shù)在消費(fèi)電子、新型顯示、激光內(nèi)雕、生物醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用，這些新的需求對(duì)激光加工精細(xì)度的要求變得更加苛刻。超快激光加工技術(shù)與傳統(tǒng)激光技術(shù)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，加工精度高，應(yīng)用范圍廣泛，無(wú)明顯熱效應(yīng)。我國(guó)超快激光器行業(yè)處于快速成長(zhǎng)階段，國(guó)內(nèi)主要企業(yè)開(kāi)始展開(kāi)在超快激光領(lǐng)域的布局，有望較快占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)并實(shí)現(xiàn)出口。

超快激光-激光器家族的年輕成員

按照輸出形式分類(lèi)，超快激光屬于超短脈沖。在工業(yè)上，通常將激光分成連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)、 短脈沖、超短脈沖四類(lèi)。連續(xù)波以多模連續(xù)光纖激光器為代表，占據(jù)了當(dāng)前工業(yè)市場(chǎng)的大部分份額。準(zhǔn)連續(xù)波又稱(chēng)長(zhǎng)脈沖，可產(chǎn)生ms~μs量級(jí)的脈沖，占空比為 10%，這使得脈沖光具有比連續(xù)光高十倍以上的峰值功率。短脈沖指的是ns量級(jí)的脈沖，廣泛的應(yīng)用 于激光標(biāo)刻、鉆孔、醫(yī)療、激光測(cè)距、二次諧波的產(chǎn)生、軍事等領(lǐng)域。超短脈沖則是我們所說(shuō)的超快激光，包括達(dá)到ps、fs 量級(jí)的脈沖激光。

超快激光的進(jìn)階之路

所謂超快激光，是指脈沖寬度在皮秒(ps，-s)量級(jí)及以下的脈沖激光。納秒、皮秒、飛秒都是時(shí)間單位，1ns=10-9s，1ps=10-12s，1fs=10-15s。這個(gè)時(shí)間單位，表示 的是一個(gè)激光脈沖的脈沖寬度，簡(jiǎn)言之就是在如此短暫的時(shí)間內(nèi)輸出一個(gè)脈沖激光。由于其輸出單脈沖時(shí)間非常非常短，因此這樣的激光稱(chēng)為超快激光。

激光技術(shù)誕生以來(lái)，超快激光就是激光研究的重點(diǎn)。1960年，第一臺(tái)激光器--紅寶石激光器問(wèn)世為超快過(guò)程的研究打開(kāi)了門(mén)戶(hù)，隨后出現(xiàn)的調(diào) Q 技術(shù)和鎖模技術(shù)使得超快激光取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。20 世紀(jì) 80 年代，超快光譜學(xué)發(fā)生了革命性的變化。對(duì)撞脈沖鎖模(CPM)的 概念引入了染料激光器，皮秒激光脈沖被壓縮到了飛秒(fs)時(shí)域，產(chǎn)生了100 fs 的脈沖。但是克爾效應(yīng)導(dǎo)致的自聚焦及元件損傷的問(wèn)題限制了超寬激光的進(jìn)一步發(fā)展。直到1985年 CPA 技術(shù)的出現(xiàn)，解決了這一難題，成為了超快激光發(fā)展史上的里程碑。

最先技術(shù)-調(diào) Q 技術(shù)

調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)是超快激光普遍采用的技術(shù)。所謂調(diào)Q就是指調(diào)節(jié)激光器的Q值的技術(shù)。在激光器泵浦的初期，把諧振腔的Q值調(diào)得很低，使激光器暫時(shí)不滿(mǎn)足振蕩條件，在泵浦脈沖的激勵(lì)下獲得很高 的粒子數(shù)密度時(shí)，再迅速調(diào)大諧振腔的Q值，此時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度遠(yuǎn)大于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，激光振蕩迅速建立并達(dá)到很高的峰值功率，同時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)迅速被耗盡，脈沖很快結(jié)束，這樣就獲得了具有窄脈沖寬度和大峰值功率的激光脈沖。利用調(diào)Q技術(shù)能夠建立納秒脈沖的輸出。

重要技術(shù)-鎖模技術(shù)

鎖模是激光器產(chǎn)生超短脈沖的重要技術(shù)。激光器光腔內(nèi)存在多種模式的激光脈沖，當(dāng)這些模式相互間的相位實(shí)現(xiàn)相長(zhǎng)干涉時(shí)才產(chǎn)生激光超短脈沖或稱(chēng)鎖模脈沖輸出。鎖模一般分為兩類(lèi):一類(lèi)是主動(dòng)鎖模，另一類(lèi)是被動(dòng)鎖模。前者是從外部向激光器輸入信號(hào)周期性地調(diào)制激光器的增益或損耗，達(dá)到鎖模;后者則采用飽和吸收器，利用其非線性吸收達(dá)到鎖定相對(duì)相位，產(chǎn)生超短脈沖輸出。

革命性技術(shù)-CPA 技術(shù)

鎖模技術(shù)出現(xiàn)以后，利用鎖模技術(shù)產(chǎn)生具有皮秒及飛秒脈寬的超短脈沖激光，這類(lèi)脈沖激光不僅可以用來(lái)研究觀察分子、原子等微觀世界粒子的超快動(dòng)力學(xué)行為，揭示掩蓋在瞬態(tài)過(guò)程中的科學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律，而且比納秒乃至微秒等長(zhǎng)脈沖激光具有高數(shù)個(gè)量級(jí)的峰值功率。因此進(jìn)一步放大超短脈沖激光，是產(chǎn)生高峰值功率激光的當(dāng)然選擇。但隨著激光峰值功率的提高，人們面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是激光在達(dá)到放大飽和前，就由于強(qiáng)度依賴(lài)的克爾效應(yīng)導(dǎo)致的自聚焦及元件損傷，正是由于該原因，激光強(qiáng)度的進(jìn)一步發(fā)展遭遇了巨大瓶頸。直到1985年，當(dāng)時(shí)在美國(guó)羅切斯特大學(xué)工作的Gérard Mouro教授和他的博士生Donna Strickland 巧妙地提出了啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification，CPA)的概念，從而有效解決了這一矛盾，引發(fā)了激光峰值功率的飛躍。