超短及超强脉冲激光研究进展
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（ＫＪＸＣ!ＳＷ!Ｗ１４） 作 者 简 介 ： 魏 志 义 （１９６３－ ） ， 男 ， 甘 肃 甘 谷 人 ， 研 究 员 ， 博 士 生 导 师 ， 中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 光 物 理 重 点 实 验 室 常 务 副 主 任 ， 计 量 测 试 高
技 术 联 合 实 验 室 主 任 ， 主 要 从 事 超 短 超 强 激 光 脉 冲 的 产 生 及 应 用 等 方 面 的 研 究 。Ｅｍａｉｌ： ｚｙｗｅｉ＠ａｐｈｙ．ｉｐｈｙ．ａｃ．ｃｎ
收 稿 日 期 ： ２００７－ ０５－ １０ ； 修 订 日 期 ： ２００７－ ０７－ ２０ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （６０４９０２８０， ６０３０８００１ ， ６０６２１０６３） ； 中 国 科 学 院 仪 器 研 制 和 知 识 创 新 重 点 方 向 性 项 目 资 助 课 题
关键词： 超短激光脉冲； 飞秒； 载波包络相位； 啁啾脉冲放大； 太瓦 中 图 分 类 号 ： Ｏ４３７．４ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １００７－ ２２７６（ ２００７） ０６－ ０７７３－ ０５
Ｐｒ ｏｇｒ ｅｓｓ ｏｎ ｕｌｔｒ ａｓｈｏｒ ｔ ａｎｄ ｕｌｔｒ ａｉｎｔｅｎｓｅ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
（中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 光 物 理 重 点 实 验 室 ， 北 京 １０００８０）
摘 要： 超短及超强脉冲激光是具有广泛应用的前沿技术， 结合国际上有关该研究的最新进展， 介 绍 了 最 近 在 周 期 量 级 脉 冲 激 光 的 产 生 及 包 络 相 位 测 量 、红 外 飞 秒 镁 橄 榄 石 激 光 研 究 、高 精 度 飞 秒 激 光 同 步 、３５０ ＴＷ 啁 啾 脉 冲 放 大 激 光 、飞 秒 激 光 腔 外 压 缩 等 方 面 取 得 的 结 果 。
笔 者 以 自 建 的 高 重 复 频 率 ７ ｆｓ 激 光 振 荡 器 为 对 象 ， 采 用 ＭｇＯ：ＰＰＬＮ 晶 体 作 为 差 频（ＤＦＧ）元 件 ， 测 得 了 如 图 ２ 所 示 的 信 噪 比 大 于 ３０ ｄＢ 的 ＣＥＰ 频 率 信 号 ， 通
图 ２ 差 频 测 得 的ＣＥＰ 频 率 Ｆｉｇ．２ Ｏｆｆｓｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ ＤＦＧ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
过 锁 定 该 信 号 及 １６０ ＭＨｚ 的 重 复 频 率 到 铯 原 子 钟 ， 实 现了新的单块光梳［８］， 由于重复频率高于国际同 类工作 的结果， 由此作为光梳， 实用性更佳。
２ 飞秒镁橄榄石激光产生
除钛宝石激光外， 镁橄榄石激光是现有激光材料 中 另 一 种 可 产 生 飞 秒 脉 冲 的 相 对 理 想 的 增 益 介 质 。由 于 该 介 质 在 １ !ｍ 波 段 具 有 较 好 的 吸 收 特 性 ， 由 此 可 采 用 Ｎｄ：ＹＡＧ 激 光 直 接 泵 浦 ， 得 到 波 长 １．２￣１．４ !ｍ、 包括通讯波长在内的飞秒激光脉冲。目前， 国际上有 多 个 研 究 组 实 现 了 １．０６４ !ｍ 激 光 泵 浦 的 该 飞 秒 激 光 运 转 ， 最 短 脉 宽 达 １４ ｆｓ。采 用 更 短 波 长 的 Ｙｂ：ＹＡＧ 激 光作泵浦， 首次在国内实现了啁啾反射镜色散补偿的 镁橄榄石激光运转， 在 ５ Ｗ 的吸收功率下， 得到了平 均 输 出 功 率 １２０ ｍＷ、 典 型 脉 宽 ２９ ｆｓ 的 稳 定 结 果 ［９］， 图 ３ 为 锁 模 输 出 光 谱 曲 线 及 脉 宽 干 涉 自 相 关 曲 线 。此 外 ， 进 一 步 采 用 １ ０３０ ｎｍ 波 长 的 激 光 泵 浦 Ｃｒ：ＹＡＧ 晶 体 ， 得 到 了 中 心 波 长 约 １．４ !ｍ、典 型 脉 冲 ７０ ｆｓ 的 结 果 。 使 所 得 到 的 飞 秒 激 光 波 段 基 本 覆 盖 了 ６００ ￣ １ ５００ ｎｍ 的 带 宽 范 围 。
１ 亚 １０ ｆｓ 激光脉冲的产生
产生极短脉宽的激光振荡器需要有最佳的腔内色 散 、自 相 位 调 制 等 参 数 的 平 衡 补 偿 机 制 ， 目 前 ， 激 光 振 荡器常用的腔内色散补偿元件主要有棱镜对和啁啾反 射镜， 由于后者具有极宽的反射光谱带宽， 已成为目前 产 生 极 短 脉 冲 振 荡 器 的 首 选 方 案 。瑞 士 联 邦 技 术 大 学 、 奥地利维也纳技术大学、德国马普量子光学 研 究 所 、美 麻 省 理 工 学 院 （ ＭＩＴ） 的 研 究 者 都 采 用 啁 啾 反 射 镜 作 为 色散核心补偿元件， 先后直接从振荡器得到了亚 １０ ｆｓ 的激光脉冲， 特别是 ＭＩＴ 的科学家综合啁啾镜、棱镜 及材料色散， 产生了近 ５ ｆｓ 的 输出结果［４］。但由于复杂 的色散补偿问题， 这类激光振荡器的结构比较复杂， 输 出 功 率 也 只 有 １００～２００ ｍＷ。 笔 者 采 用 商 用 啁 啾 镜 构 成的四镜腔振荡器， 通过计算并合理选择钛宝石晶体 的 厚 度 ， 产 生 了 输 出 脉 宽 仅 ７ ｆｓ、重 复 频 率 １６０ ＭＨｚ、 平均功率 ３４０ ｍＷ 的激 光脉 冲 ， 与 上 述 的 同 类 工 作 相 比， 用相对简单的结构， 得到了重复频率及输出功率均 提高了的输出脉冲［５］。图 １ 为测得的典型干涉自相关曲 线。最近进一步采用 ５ 镜腔结构的振荡器后， 测得脉冲 宽度不到 ６ ｆｓ。
第６期
魏志义等： 超短及超强脉冲激光研究进展
７７５
图 ３ 锁模输出光谱曲线及脉宽干涉自相关曲线 Ｆｉｇ．３ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｅｔｒｉｃ ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｒａｃｅ ｏｆ
重大进展， 而且也革命性地实现了微波原子频标与光 学 频 标 的 直 接 连 接 。目 前 ，该 发 明 作 为 最 早 概 念 的 光 梳 ， 已广泛应用于光学频率等精密测量研究中， 笔者也利 用自建的飞秒钛宝石激光器， 建成了 重复频率 ９０ ＭＨｚ 的光梳。但是， 这种光梳在输出功率及稳定性方面受限 于 ＰＣＦ。２００４ 年 Ｔ．Ｆｕｊｉ 等通过飞秒激光 本 身 光 谱 的 自 差 频 ， 提 出 了 单 块 结 构 的 光 梳 概 念［７］，该 光 梳 无 需 ＰＣＦ， 不仅具 有紧凑的结构， 而且避免了 ＰＣＦ 影响功率及稳 定性的问题。目前， 德国已用这种技术实现了 ７５ ＭＨｚ 重 复频率飞秒激光的 ＣＥＰ 锁定。
第 ３６ 卷第 ６ 期 Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．６
红外与激光工程 Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００７ 年 １２ 月 Ｄｅｃ． ２００７
超短及超强脉冲激光研究进展
魏志义， 王兆华， 韩海年， 杜 强， 朱江峰， 赵 环， 赵研英， 张 炜， 周斌斌， 钟 欣， 滕 浩， 李德华， 聂玉昕， 张 杰
（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ ： Ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ａｎｄ ｕｌｔｒａｉｎｔｅｎｓｅ ｌａｓｅｒｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｒｉｇｇｅｄ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ ｏｆ ｂａｓｉｃ ｓｃｉｅｎｃｅ． Ｒｅｆｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ， ｏｕｒ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋｓ ａｒｅ ｒｅｐｏｒｔｅｄ， ｓｕｃｈ ａｓ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｗ ｃｙｃｌｅｓ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ， ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃａｒｒｉｅｒ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｐｈａｓｅ（ＣＥＰ）， ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ ｌａｓｅｒ， ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｔｉｍｉｎｇ ｊｉｔｔｅｒ， ３５０ ＴＷ ｌａｓｅｒ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｃｈｉｒｐｅｄ ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ （ＣＰＡ） ａｎｄ ５．１ ｆｓ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ．
图 １ 振荡器直接输出脉冲的干涉自相关曲线 Ｆｉｇ．１ Ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｒａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｆｒｏｍ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ
对 于 中 心 波 长 在 ８００ ｎｍ 附 近 的 这 种 极 短 激 光 ， 其脉冲结构不到 ３ 个光学振荡周期， 因此， 载波与振 荡 包 络 之 间 的 相 位 ＣＥＰ 就 成 了 一 个 重 要 的 问 题 。 德 国和美国的科学家率先利用所谓的自参考技术， 通过 光 子 晶 体 光 纤 （ＰＣＦ） 对 激 光 光 谱 的 倍 频 程 展 宽 ， 成 功 实 现 了 ＣＥＰ 的 高 精 度 锁 定［６］， 不 仅 促 进 了 飞 秒 激 光 的
ＷＥＩ Ｚｈｉ!ｙｉ ， ＷＡＮＧ Ｚｈａｏ!ｈｕａ ， ＨＡＮ Ｈａｉ!ｎｉａｎ ， ＤＵ Ｑｉａｎｇ ， ＺＨＵ Ｊｉａｎｇ!ｆｅｎｇ ， ＺＨＡＯ Ｈｕａｎ ， ＺＨＡＯ Ｙａｎ!ｙｉｎｇ ， ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ， ＺＨＯＵ Ｂｉｎ!ｂｉｎ ， ＺＨＯＮＧ Ｘｉｎ ， ＴＥＮＧ Ｈａｏ ， ＬＩ Ｄｅ!ｈｕａ ， ＮＩＥ Ｙｕ!ｘｉｎ ， ＺＨＡＮＧ Ｊｉｅ
７７４
红外与激 瓦 激 光 、二 极 管 激 光 直 接 泵 浦 的 皮 秒激光等内容的研究， 得到了光谱全宽近一个倍频程 的周期量级脉宽， 实现了基于自差频技术的单块光学 频率梳， 有效地扩展了飞秒激光波长的覆盖范围， 建 成 了 峰 值 功 率 大 于 ３５０ ＴＷ 的 “极 光 ＩＩＩ”装 置 。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ； Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ； ＣＥＰ； ＣＰＡ； Ｔｅｒａｗａｔｔ
０引言
近 １０ 年来， 超短脉冲激光技术的持续快 速 发 展 不 仅深化着超快现象、ＴＨｚ 辐射等领域的研究 ， 而 且 也 促 成 了 频 标 测 量 、飞 秒 激 光 精 密 微 加 工 、飞 秒 纳 米 学 、阿 秒 激 光 等 前 沿 学 科 的 出 现 和 重 大 突 破 ［１］。特 别 是 通 过 啁 啾 脉 冲 放 大（ＣＰＡ）技 术 对 飞 秒 激 光 脉 冲 的 放 大［２］， 人 们 已能在一般规模的实验室里得到峰值功率数百太瓦 （ＴＷ，１０１２ Ｗ）的 超 强 激 光 及 聚 焦 功 率 密 度 近 １０２２ Ｗ／ｃｍ２ 的 极 端 光 场 ， 直 接 导 致 了 高 能 量 密 度 物 理 、粒 子 加 速
物 理 、台 面 核 物 理 等 内 容 的 创 新 进 展 。 针 对 飞 秒 超 强 激光的重要应用， 笔者以设计具有极短脉宽的飞秒掺 钛蓝宝石激光振荡器为基础， 先后建成峰值功率达 １．４ ＴＷ 的 “极 光 Ｉ”装 置 和 ２０ ＴＷ 的 “极 光 ＩＩ”装 置［３］， 为 超 长 等 离 子 激 光 通 道 、超 热 电 子 特 性 等 内 容 的 研 究 提供了重要的实验平台。为了扩展飞秒激光的新应 用 ， 最 近 相 继 进 行 了 亚 １０ ｆｓ 激 光 脉 冲 产 生 、载 波 包 络 相 位（ＣＥＰ）控 制 、不 同 超 短 激 光 脉 冲 高 精 度 同 步 、飞 秒 脉 冲 压 缩 、掺 铬 镁 橄 榄 石 激 光 （Ｃｒ：Ｍｇ２ＳｉＯ４）飞 秒 激 光 、 掺 铬 钇 铝 石 榴 石（Ｃｒ：ＹＡＧ）飞 秒 激 光 、飞 秒 参 量 激 光 振
技 术 联 合 实 验 室 主 任 ， 主 要 从 事 超 短 超 强 激 光 脉 冲 的 产 生 及 应 用 等 方 面 的 研 究 。Ｅｍａｉｌ： ｚｙｗｅｉ＠ａｐｈｙ．ｉｐｈｙ．ａｃ．ｃｎ
收 稿 日 期 ： ２００７－ ０５－ １０ ； 修 订 日 期 ： ２００７－ ０７－ ２０ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （６０４９０２８０， ６０３０８００１ ， ６０６２１０６３） ； 中 国 科 学 院 仪 器 研 制 和 知 识 创 新 重 点 方 向 性 项 目 资 助 课 题
关键词： 超短激光脉冲； 飞秒； 载波包络相位； 啁啾脉冲放大； 太瓦 中 图 分 类 号 ： Ｏ４３７．４ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １００７－ ２２７６（ ２００７） ０６－ ０７７３－ ０５
Ｐｒ ｏｇｒ ｅｓｓ ｏｎ ｕｌｔｒ ａｓｈｏｒ ｔ ａｎｄ ｕｌｔｒ ａｉｎｔｅｎｓｅ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
（中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 光 物 理 重 点 实 验 室 ， 北 京 １０００８０）
摘 要： 超短及超强脉冲激光是具有广泛应用的前沿技术， 结合国际上有关该研究的最新进展， 介 绍 了 最 近 在 周 期 量 级 脉 冲 激 光 的 产 生 及 包 络 相 位 测 量 、红 外 飞 秒 镁 橄 榄 石 激 光 研 究 、高 精 度 飞 秒 激 光 同 步 、３５０ ＴＷ 啁 啾 脉 冲 放 大 激 光 、飞 秒 激 光 腔 外 压 缩 等 方 面 取 得 的 结 果 。
笔 者 以 自 建 的 高 重 复 频 率 ７ ｆｓ 激 光 振 荡 器 为 对 象 ， 采 用 ＭｇＯ：ＰＰＬＮ 晶 体 作 为 差 频（ＤＦＧ）元 件 ， 测 得 了 如 图 ２ 所 示 的 信 噪 比 大 于 ３０ ｄＢ 的 ＣＥＰ 频 率 信 号 ， 通
图 ２ 差 频 测 得 的ＣＥＰ 频 率 Ｆｉｇ．２ Ｏｆｆｓｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ ＤＦＧ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
过 锁 定 该 信 号 及 １６０ ＭＨｚ 的 重 复 频 率 到 铯 原 子 钟 ， 实 现了新的单块光梳［８］， 由于重复频率高于国际同 类工作 的结果， 由此作为光梳， 实用性更佳。
２ 飞秒镁橄榄石激光产生
除钛宝石激光外， 镁橄榄石激光是现有激光材料 中 另 一 种 可 产 生 飞 秒 脉 冲 的 相 对 理 想 的 增 益 介 质 。由 于 该 介 质 在 １ !ｍ 波 段 具 有 较 好 的 吸 收 特 性 ， 由 此 可 采 用 Ｎｄ：ＹＡＧ 激 光 直 接 泵 浦 ， 得 到 波 长 １．２￣１．４ !ｍ、 包括通讯波长在内的飞秒激光脉冲。目前， 国际上有 多 个 研 究 组 实 现 了 １．０６４ !ｍ 激 光 泵 浦 的 该 飞 秒 激 光 运 转 ， 最 短 脉 宽 达 １４ ｆｓ。采 用 更 短 波 长 的 Ｙｂ：ＹＡＧ 激 光作泵浦， 首次在国内实现了啁啾反射镜色散补偿的 镁橄榄石激光运转， 在 ５ Ｗ 的吸收功率下， 得到了平 均 输 出 功 率 １２０ ｍＷ、 典 型 脉 宽 ２９ ｆｓ 的 稳 定 结 果 ［９］， 图 ３ 为 锁 模 输 出 光 谱 曲 线 及 脉 宽 干 涉 自 相 关 曲 线 。此 外 ， 进 一 步 采 用 １ ０３０ ｎｍ 波 长 的 激 光 泵 浦 Ｃｒ：ＹＡＧ 晶 体 ， 得 到 了 中 心 波 长 约 １．４ !ｍ、典 型 脉 冲 ７０ ｆｓ 的 结 果 。 使 所 得 到 的 飞 秒 激 光 波 段 基 本 覆 盖 了 ６００ ￣ １ ５００ ｎｍ 的 带 宽 范 围 。
１ 亚 １０ ｆｓ 激光脉冲的产生
产生极短脉宽的激光振荡器需要有最佳的腔内色 散 、自 相 位 调 制 等 参 数 的 平 衡 补 偿 机 制 ， 目 前 ， 激 光 振 荡器常用的腔内色散补偿元件主要有棱镜对和啁啾反 射镜， 由于后者具有极宽的反射光谱带宽， 已成为目前 产 生 极 短 脉 冲 振 荡 器 的 首 选 方 案 。瑞 士 联 邦 技 术 大 学 、 奥地利维也纳技术大学、德国马普量子光学 研 究 所 、美 麻 省 理 工 学 院 （ ＭＩＴ） 的 研 究 者 都 采 用 啁 啾 反 射 镜 作 为 色散核心补偿元件， 先后直接从振荡器得到了亚 １０ ｆｓ 的激光脉冲， 特别是 ＭＩＴ 的科学家综合啁啾镜、棱镜 及材料色散， 产生了近 ５ ｆｓ 的 输出结果［４］。但由于复杂 的色散补偿问题， 这类激光振荡器的结构比较复杂， 输 出 功 率 也 只 有 １００～２００ ｍＷ。 笔 者 采 用 商 用 啁 啾 镜 构 成的四镜腔振荡器， 通过计算并合理选择钛宝石晶体 的 厚 度 ， 产 生 了 输 出 脉 宽 仅 ７ ｆｓ、重 复 频 率 １６０ ＭＨｚ、 平均功率 ３４０ ｍＷ 的激 光脉 冲 ， 与 上 述 的 同 类 工 作 相 比， 用相对简单的结构， 得到了重复频率及输出功率均 提高了的输出脉冲［５］。图 １ 为测得的典型干涉自相关曲 线。最近进一步采用 ５ 镜腔结构的振荡器后， 测得脉冲 宽度不到 ６ ｆｓ。
第６期
魏志义等： 超短及超强脉冲激光研究进展
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图 ３ 锁模输出光谱曲线及脉宽干涉自相关曲线 Ｆｉｇ．３ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｅｔｒｉｃ ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｒａｃｅ ｏｆ
重大进展， 而且也革命性地实现了微波原子频标与光 学 频 标 的 直 接 连 接 。目 前 ，该 发 明 作 为 最 早 概 念 的 光 梳 ， 已广泛应用于光学频率等精密测量研究中， 笔者也利 用自建的飞秒钛宝石激光器， 建成了 重复频率 ９０ ＭＨｚ 的光梳。但是， 这种光梳在输出功率及稳定性方面受限 于 ＰＣＦ。２００４ 年 Ｔ．Ｆｕｊｉ 等通过飞秒激光 本 身 光 谱 的 自 差 频 ， 提 出 了 单 块 结 构 的 光 梳 概 念［７］，该 光 梳 无 需 ＰＣＦ， 不仅具 有紧凑的结构， 而且避免了 ＰＣＦ 影响功率及稳 定性的问题。目前， 德国已用这种技术实现了 ７５ ＭＨｚ 重 复频率飞秒激光的 ＣＥＰ 锁定。
第 ３６ 卷第 ６ 期 Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．６
红外与激光工程 Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００７ 年 １２ 月 Ｄｅｃ． ２００７
超短及超强脉冲激光研究进展
魏志义， 王兆华， 韩海年， 杜 强， 朱江峰， 赵 环， 赵研英， 张 炜， 周斌斌， 钟 欣， 滕 浩， 李德华， 聂玉昕， 张 杰
（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ ： Ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ａｎｄ ｕｌｔｒａｉｎｔｅｎｓｅ ｌａｓｅｒｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｒｉｇｇｅｄ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ ｏｆ ｂａｓｉｃ ｓｃｉｅｎｃｅ． Ｒｅｆｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ， ｏｕｒ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋｓ ａｒｅ ｒｅｐｏｒｔｅｄ， ｓｕｃｈ ａｓ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｗ ｃｙｃｌｅｓ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ， ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃａｒｒｉｅｒ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｐｈａｓｅ（ＣＥＰ）， ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ ｌａｓｅｒ， ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｔｉｍｉｎｇ ｊｉｔｔｅｒ， ３５０ ＴＷ ｌａｓｅｒ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｃｈｉｒｐｅｄ ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ （ＣＰＡ） ａｎｄ ５．１ ｆｓ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ．
图 １ 振荡器直接输出脉冲的干涉自相关曲线 Ｆｉｇ．１ Ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｒａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｆｒｏｍ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ
对 于 中 心 波 长 在 ８００ ｎｍ 附 近 的 这 种 极 短 激 光 ， 其脉冲结构不到 ３ 个光学振荡周期， 因此， 载波与振 荡 包 络 之 间 的 相 位 ＣＥＰ 就 成 了 一 个 重 要 的 问 题 。 德 国和美国的科学家率先利用所谓的自参考技术， 通过 光 子 晶 体 光 纤 （ＰＣＦ） 对 激 光 光 谱 的 倍 频 程 展 宽 ， 成 功 实 现 了 ＣＥＰ 的 高 精 度 锁 定［６］， 不 仅 促 进 了 飞 秒 激 光 的
ＷＥＩ Ｚｈｉ!ｙｉ ， ＷＡＮＧ Ｚｈａｏ!ｈｕａ ， ＨＡＮ Ｈａｉ!ｎｉａｎ ， ＤＵ Ｑｉａｎｇ ， ＺＨＵ Ｊｉａｎｇ!ｆｅｎｇ ， ＺＨＡＯ Ｈｕａｎ ， ＺＨＡＯ Ｙａｎ!ｙｉｎｇ ， ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ， ＺＨＯＵ Ｂｉｎ!ｂｉｎ ， ＺＨＯＮＧ Ｘｉｎ ， ＴＥＮＧ Ｈａｏ ， ＬＩ Ｄｅ!ｈｕａ ， ＮＩＥ Ｙｕ!ｘｉｎ ， ＺＨＡＮＧ Ｊｉｅ
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红外与激 瓦 激 光 、二 极 管 激 光 直 接 泵 浦 的 皮 秒激光等内容的研究， 得到了光谱全宽近一个倍频程 的周期量级脉宽， 实现了基于自差频技术的单块光学 频率梳， 有效地扩展了飞秒激光波长的覆盖范围， 建 成 了 峰 值 功 率 大 于 ３５０ ＴＷ 的 “极 光 ＩＩＩ”装 置 。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ； Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ； ＣＥＰ； ＣＰＡ； Ｔｅｒａｗａｔｔ
０引言
近 １０ 年来， 超短脉冲激光技术的持续快 速 发 展 不 仅深化着超快现象、ＴＨｚ 辐射等领域的研究 ， 而 且 也 促 成 了 频 标 测 量 、飞 秒 激 光 精 密 微 加 工 、飞 秒 纳 米 学 、阿 秒 激 光 等 前 沿 学 科 的 出 现 和 重 大 突 破 ［１］。特 别 是 通 过 啁 啾 脉 冲 放 大（ＣＰＡ）技 术 对 飞 秒 激 光 脉 冲 的 放 大［２］， 人 们 已能在一般规模的实验室里得到峰值功率数百太瓦 （ＴＷ，１０１２ Ｗ）的 超 强 激 光 及 聚 焦 功 率 密 度 近 １０２２ Ｗ／ｃｍ２ 的 极 端 光 场 ， 直 接 导 致 了 高 能 量 密 度 物 理 、粒 子 加 速
物 理 、台 面 核 物 理 等 内 容 的 创 新 进 展 。 针 对 飞 秒 超 强 激光的重要应用， 笔者以设计具有极短脉宽的飞秒掺 钛蓝宝石激光振荡器为基础， 先后建成峰值功率达 １．４ ＴＷ 的 “极 光 Ｉ”装 置 和 ２０ ＴＷ 的 “极 光 ＩＩ”装 置［３］， 为 超 长 等 离 子 激 光 通 道 、超 热 电 子 特 性 等 内 容 的 研 究 提供了重要的实验平台。为了扩展飞秒激光的新应 用 ， 最 近 相 继 进 行 了 亚 １０ ｆｓ 激 光 脉 冲 产 生 、载 波 包 络 相 位（ＣＥＰ）控 制 、不 同 超 短 激 光 脉 冲 高 精 度 同 步 、飞 秒 脉 冲 压 缩 、掺 铬 镁 橄 榄 石 激 光 （Ｃｒ：Ｍｇ２ＳｉＯ４）飞 秒 激 光 、 掺 铬 钇 铝 石 榴 石（Ｃｒ：ＹＡＧ）飞 秒 激 光 、飞 秒 参 量 激 光 振