超强激光技术的快速发展

超快超强激光有着非常广泛的应用。在20世纪80年代，超快超强光源的应用还非常有限，甚至是基本没有。1981年，贝尔实验室发明了激光锁模技术，实现了超快激光的输出。然而，该技术采用染料作为介质。染料是液体，会挥发，导致激光无法长期稳定工作，经常要补充染料。到了1991年，有了一个很重要的突破，在苏格兰的一个研究所，研究人员发现可以用钛宝石实现自锁模，且功率可以轻易达到几百毫瓦。一开始这种激光脉宽达60 fs，后来逐渐压缩。钛宝石激光可以说是历史上一个非常重要的发现，它带来了非常多的应用工作。

随着研究的深入，人们发现在泵浦光作用下，晶体会形成克尔效应，它对中间的光的非线性折射率比较强，而对边缘的光比较弱。这样就出现了类似透镜的效果，使得一个高斯光经过它之后出现了聚焦；更进一步，由于中心焦距短，边缘焦距长，因此强光聚焦得深，而弱光聚焦得浅；此时再加上一个光阑，就可以挡住弱光，透过强光；最后在腔内经过多次往复以后，就形成一个很窄的脉冲。上述过程就是克尔透镜锁模技术。得益于此，飞秒激光从染料时代迈入了固体时代。

在这之后，人们开始研究如何把脉宽做得更窄。其中一个方案是先缩短晶体的长度，这样降低了色散，接着再利用一个棱镜对来补偿，使得腔里的晶体色散变得尽可能小，最终实现了脉宽仅有8.5 fs的记录。与此同时，还有一些研究员利用啁啾镜，通过反射镜的正色散补偿镀膜晶体的负色散，成功将脉宽压缩到了7.5 fs。两种方法各有优劣，棱镜对可以使得脉宽连续变化，但是由于棱镜对间隔是恒定的，所以无法缩短激光器的腔长；而啁啾镜可以实现更短的腔长，但由于啁啾的特性，无法连续改变脉宽。

尽管人们已经将脉宽压缩到几个飞秒，但获得这样的超强超快激光还有一个问题，就是成本太高，特别是泵浦源的成本。如何让激光器更平民化、更紧凑高效，是摆在科学家们面前的一个问题。一个想法是利用二极管泵浦，这样会伴随另一个问题，那就是钛宝石激光器的吸收峰在490 nm的位置，而二极管很难满足这样的波长。因此，我们往往使用氩离子或者通过倍频1064 nm获得532 nm的激光作为泵浦。之后，美国的研究人员利用450 nm的蓝光二极管来泵浦，实现具有十多个飞秒的超快激光。之后我们组利用488 nm的光纤激光搭建了振荡器，得到了8.7 fs的脉宽，这项成果是国际上首次使用蓝光吸收峰的二极管泵浦出钛宝石激光，使得这种激光器的结构更加紧凑，成本也大幅下降。(www.xing528.com)

钛宝石激光器尽管可以用490 nm激光做泵浦，但是这种波长还是不够大众化，这类激光器并不多。现在半导体激光器常用的是808 nm、940 nm或者970 nm的波长。技术非常成熟，产品价格很低。所以我们想，如果能用这样的激光作为泵浦，将会是一个很好的选择。之后通过与国内各个大学和研究所做晶体的课题组合作，让我们有能力使用不同的增益介质来制作振荡器，这样不仅结构更紧凑，而且成本更低廉。

我国研究人员在2011年的时候，实现了能量30 J、脉宽28 fs以下，即对应峰值功率为1.16 PW，达到了国际领先水平；在2016年又实现了5.3 PW的超强激光。目前，上海光机所正在进行100 PW的激光器建设工作，预计将在2022年或2023年的时候建成。