激光技術(shù)的發(fā)展與未來

王曉楠 馬文超 王紹卿

遼寧師范大學(xué)，遼寧 大連 116000

激光技術(shù)的發(fā)展與未來

王曉楠 馬文超 王紹卿

遼寧師范大學(xué)，遼寧 大連 116000

繼原子能，計(jì)算機(jī)，半導(dǎo)體之后，激光是上世紀(jì)人類的又一項(xiàng)重大發(fā)明。它使古老的光學(xué)技術(shù)煥發(fā)青春，同時也伴隨了許多新興的學(xué)科。激光正以特殊的方式影響著我們的生活。激光被譽(yù)為20世紀(jì)以來“四大”發(fā)明之一，不論作為生產(chǎn)制造工具，還是作為科研領(lǐng)域研究媒介，還是激光技術(shù)本身，都備受科學(xué)家矚目，激光器發(fā)展一日千里。本文介紹了激光的發(fā)展歷程還有對激光技術(shù)未來的展望。

調(diào)Q技術(shù)；鎖模技術(shù)；啁啾技術(shù)

1 調(diào)Q技術(shù)

自1960年7月，世界上第一臺激光器誕生。激光具有高相干性，高單色性的優(yōu)點(diǎn)。激光慢慢地被人們廣泛應(yīng)用，影響著我們的生活，同樣也被應(yīng)用到科研實(shí)驗(yàn)中，對科技的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的作用。漸漸地人們不滿足于當(dāng)時激光器的脈沖，使用各種方法想將其縮短。調(diào)Q技術(shù)就這么產(chǎn)生了，提高了功率，同時可以把激光器的脈沖縮短到納秒量級。

1.1 調(diào)Q技術(shù)原理

調(diào)Q技術(shù)：一種激光技術(shù)。控制激光器內(nèi)的品質(zhì)Q按一定順序改變。通過降低Q值，降低激光的產(chǎn)生，等到激光器上面積累了一定量的粒子，產(chǎn)生激光，輸出巨大的震蕩激光。

1.2 技術(shù)要求

雖然脈沖縮短了，但是也對激光器提出了要求。

1）品質(zhì)因素Q能快速改變。

2）自發(fā)輻射的速率比泵浦的速率慢。并且在激光器上能級持續(xù)時間要長，可以積累粒子。

2 鎖模技術(shù)

隨著激光器的發(fā)展，產(chǎn)生的納秒激光遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，使用之前用的調(diào)Q技術(shù)再想把激光器的脈沖壓縮到更短可能性不大了。

經(jīng)過了幾年的發(fā)展，人們終于在1964年提出了鎖模技術(shù)。通過鎖模技術(shù)，我們又產(chǎn)生出極短時間脈沖的激光，脈沖通常在皮秒，甚至還能產(chǎn)生飛秒。

2.1 鎖模技術(shù)原理

鎖模技術(shù)：當(dāng)多于一個縱模的激光被激發(fā)的時候，激光器處于多模工作狀態(tài)。在一個簡單的激光器中，里面的模式都是獨(dú)立振蕩的，因此模式之間沒有固定的關(guān)系，就好像一組彼此獨(dú)立，頻率稍有不同的激光從激光器中同時射出一樣。每一束光的相位都不固定，而且相位可能因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生隨機(jī)的變化，比如就是激光器在工作時候，他的材料溫度發(fā)生變化等。如果不允許模式獨(dú)立振蕩，而是要求每個模式與其他模式之間保持固定的相位，激光輸出就會有很大的不同特點(diǎn)。這時候，輸出的強(qiáng)度不再是隨機(jī)性的變化或者近似為常數(shù)，而是由于不同模式的激光周期性的建立起相生干涉，導(dǎo)致產(chǎn)生脈沖激光。這樣的激光器被稱為鎖模。

在調(diào)Q激光器中輸出脈寬最窄的是透射式Q開關(guān)激光器，輸出的脈沖最小為而是鎖模激光器的脈寬為，比它窄了2N+1倍。鎖模技術(shù)先后經(jīng)歷了主動鎖模、被動鎖模、碰撞鎖模等階段，后來又出現(xiàn)了由于增益介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)導(dǎo)致的自鎖模，稱之為克爾透鏡鎖模，產(chǎn)生了飛秒量級的激光脈沖。

3 啁啾技術(shù)

隨著科技的進(jìn)步，人們又想要提高激光器的峰值，這個在實(shí)際的物理和科研試驗(yàn)中有重大的作用，比如激光控制核聚變，還有各種動力學(xué)的試驗(yàn)中，我們都需要激光有極高的脈沖，但是我們之前使用的鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)額脈沖頻率的大小并不能達(dá)到這個要求。而我們知道改變脈沖寬度和脈沖能量就可以提高激光器的峰值。80年代中后期，啁啾放大技術(shù)就這么被人們發(fā)明了，基本過程：

在參量放大的過程中，現(xiàn)把其脈沖能量分成不同的激光種子，經(jīng)過一系列的光學(xué)器件。然后再將不同的激光種子集中起來，進(jìn)行耦合。這項(xiàng)技術(shù)使我們當(dāng)時使用的激光器的功率提高了TW量級。從此超短超快激光器進(jìn)入我們的生活。使我們的科技有了飛躍。

近年，啁啾技術(shù)產(chǎn)生的超短超快脈沖被我們大量的使用，如抽運(yùn)探測超快光譜學(xué)，半導(dǎo)體中載流子行為的研究，量子系統(tǒng)相干控制等。在分子超快光譜學(xué)里，用10飛秒的時間分辨率可以測量分子的振動。實(shí)現(xiàn)對振動分子的研究。還有人用此測量化學(xué)鍵的斷裂，為此獲得了巨大的進(jìn)步。

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4 發(fā)展現(xiàn)狀

中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室最近研制成功5拍瓦（1拍瓦=1015瓦）超強(qiáng)超短激光放大系統(tǒng)，這是迄今國際最高峰值功率的激光放大系統(tǒng)，為研制10拍瓦超強(qiáng)超短激光裝置奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

研究人員基于鈦寶石晶體和啁啾脈沖放大技術(shù)，于2013年研制成功2拍瓦超強(qiáng)超短激光放大系統(tǒng)，為當(dāng)時國際最高峰值功率的激光放大系統(tǒng)。隨后又首次實(shí)現(xiàn)了百焦耳以上能量水平的寬帶（70納米）激光放大輸出。該激光放大系統(tǒng)是目前國際最高峰值功率的激光放大系統(tǒng)。大口徑高增益鈦寶石放大器寄生振蕩抑制技術(shù)的成功突破，為研制基于鈦寶石CPA放大的10拍瓦激光裝置奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2015年被聯(lián)合國定義為"國際光年"，以紀(jì)念千年來人類在光領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。激光作為一門年輕的科學(xué)，近年來在應(yīng)用及科研領(lǐng)域成果豐碩，激光涉及的領(lǐng)域也不斷被拓展，在世界范圍內(nèi)掀起了一陣"光"熱。今年，中國提出了"中國制造2025"，推動制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)化。激光作為先進(jìn)制造的代表性工具，在工業(yè)應(yīng)用方向已發(fā)展的較為全面，技術(shù)也較為成熟，未來市場也越來越大。另外，激光的特性可以創(chuàng)造特殊的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，推動其他領(lǐng)域的科研發(fā)展。可以說，激光技術(shù)成了一個國家科技發(fā)展水平和制造業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要體現(xiàn)。中國的激光理論一直處在世界前沿，近年來從理論到應(yīng)用領(lǐng)域也有了長足的進(jìn)步，和國際領(lǐng)先水平的差距逐漸縮小，相信未來激光技術(shù)還會取得更多的突破。

[1]周炳琨，高以智等，激光原理[M]，國防工業(yè)出版社，2011.

[2]江劍平.半導(dǎo)體激光器[M].電子工業(yè)出版社2000.

[3]. Y a r i v A. Q u a n t a u m E l e c t r o n i c s 3 n d e d i t i o n. J o h n Wiley&Sons,1989

[4].張英海,霍澤人,王宏鋒,王衛(wèi)東. 自由空間光通信的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 中國數(shù)據(jù)通信. 2004(12).