激光技術的發展與未來

王曉楠 馬文超 王紹卿

遼寧師范大學，遼寧 大連 116000

激光技術的發展與未來

王曉楠 馬文超 王紹卿

遼寧師范大學，遼寧 大連 116000

繼原子能，計算機，半導體之后，激光是上世紀人類的又一項重大發明。它使古老的光學技術煥發青春，同時也伴隨了許多新興的學科。激光正以特殊的方式影響著我們的生活。激光被譽為20世紀以來“四大”發明之一，不論作為生產制造工具，還是作為科研領域研究媒介，還是激光技術本身，都備受科學家矚目，激光器發展一日千里。本文介紹了激光的發展歷程還有對激光技術未來的展望。

調Q技術；鎖模技術；啁啾技術

1 調Q技術

自1960年7月，世界上第一臺激光器誕生。激光具有高相干性，高單色性的優點。激光慢慢地被人們廣泛應用，影響著我們的生活，同樣也被應用到科研實驗中，對科技的發展產生了巨大的作用。漸漸地人們不滿足于當時激光器的脈沖，使用各種方法想將其縮短。調Q技術就這么產生了，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Q技術原理

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

1.2 技術要求

雖然脈沖縮短了，但是也對激光器提出了要求。

1）品質因素Q能快速改變。

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

2 鎖模技術

隨著激光器的發展，產生的納秒激光遠遠不能滿足人們的需求，使用之前用的調Q技術再想把激光器的脈沖壓縮到更短可能性不大了。

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

2.1 鎖模技術原理

鎖模技術：當多于一個縱模的激光被激發的時候，激光器處于多模工作狀態。在一個簡單的激光器中，里面的模式都是獨立振蕩的，因此模式之間沒有固定的關系，就好像一組彼此獨立，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，而且相位可能因為各種原因產生隨機的變化，比如就是激光器在工作時候，他的材料溫度發生變化等。如果不允許模式獨立振蕩，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。這時候，輸出的強度不再是隨機性的變化或者近似為常數，而是由于不同模式的激光周期性的建立起相生干涉，導致產生脈沖激光。這樣的激光器被稱為鎖模。

在調Q激光器中輸出脈寬最窄的是透射式Q開關激光器，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。鎖模技術先后經歷了主動鎖模、被動鎖模、碰撞鎖模等階段，后來又出現了由于增益介質本身的非線性效應導致的自鎖模，稱之為克爾透鏡鎖模，產生了飛秒量級的激光脈沖。

3 啁啾技術

隨著科技的進步，人們又想要提高激光器的峰值，這個在實際的物理和科研試驗中有重大的作用，比如激光控制核聚變，還有各種動力學的試驗中，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實現額脈沖頻率的大小并不能達到這個要求。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，啁啾放大技術就這么被人們發明了，基本過程：

在參量放大的過程中，現把其脈沖能量分成不同的激光種子，經過一系列的光學器件。然后再將不同的激光種子集中起來，進行耦合。這項技術使我們當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入我們的生活。使我們的科技有了飛躍。

近年，啁啾技術產生的超短超快脈沖被我們大量的使用，如抽運探測超快光譜學，半導體中載流子行為的研究，量子系統相干控制等。在分子超快光譜學里，用10飛秒的時間分辨率可以測量分子的振動。實現對振動分子的研究。還有人用此測量化學鍵的斷裂，為此獲得了巨大的進步。

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4 發展現狀

中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室最近研制成功5拍瓦（1拍瓦=1015瓦）超強超短激光放大系統，這是迄今國際最高峰值功率的激光放大系統，為研制10拍瓦超強超短激光裝置奠定了重要的技術基礎。

研究人員基于鈦寶石晶體和啁啾脈沖放大技術，于2013年研制成功2拍瓦超強超短激光放大系統，為當時國際最高峰值功率的激光放大系統。隨后又首次實現了百焦耳以上能量水平的寬帶（70納米）激光放大輸出。該激光放大系統是目前國際最高峰值功率的激光放大系統。大口徑高增益鈦寶石放大器寄生振蕩抑制技術的成功突破，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基礎。

2015年被聯合國定義為"國際光年"，以紀念千年來人類在光領域的重大發現。激光作為一門年輕的科學，近年來在應用及科研領域成果豐碩，激光涉及的領域也不斷被拓展，在世界范圍內掀起了一陣"光"熱。今年，中國提出了"中國制造2025"，推動制造業向智能制造轉化。激光作為先進制造的代表性工具，在工業應用方向已發展的較為全面，技術也較為成熟，未來市場也越來越大。另外，激光的特性可以創造特殊的實驗環境，推動其他領域的科研發展。可以說，激光技術成了一個國家科技發展水平和制造業發達程度的重要體現。中國的激光理論一直處在世界前沿，近年來從理論到應用領域也有了長足的進步，和國際領先水平的差距逐漸縮小，相信未來激光技術還會取得更多的突破。

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[2]江劍平.半導體激光器[M].電子工業出版社2000.

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[4].張英海,霍澤人,王宏鋒,王衛東. 自由空間光通信的現狀與發展趨勢[J]. 中國數據通信. 2004(12).