摘要：1980年代见证了
1980年代见证了
最初的开始
虽然贝尔实验室未能在激光器的发明竞赛中取得胜利，但随后在第一台连续氦氖激光器的激励下，每个年轻的研究人员都梦想成为新晶体管或新激光器的发明者。
染料激光器出现于1966年，并在1970年代得到了很大的发展，其工作方式是在腔内喷射层状有机分子溶液作为增益介质。由于法布里-珀罗干涉的特性，任何线性激光腔只能接受一系列离散的频率(纵模)，其间隔由腔长决定，而数量由增益带宽决定。这是产生飞秒脉冲的基本工具。
如果在激光腔内以纵模的频率间隔引入周期性损耗，以此调制腔的品质因子(Q值)，不同模式之间就能实现同步，由此通过相长干涉的模式叠加而形成光脉冲。叠加的频率范围越宽，产生的光脉冲越短。不同模式之间的同步叫做锁模。
被动锁模 锁模技术最初主要利用声波调制棱镜折射率，也就是将棱镜放在气体激光器中，通过周期性损耗实现模式同步，以此产生皮秒脉冲。光谱学对可调谐光源的需求促进了宽增益染料激光器的发展，由此实现了腔内选频。如果在激光腔内使用另一个染料喷嘴作为可饱和吸收体，就能通过Q值调制诱导被动锁模，以此产生可调谐皮秒脉冲。锁模的质量取决于增益介质和可饱和吸收体在腔内的相对位置。
线性锁模激光腔
上图展示了包含增益介质和可保和吸收体的线性激光腔，其透明度以精确的频率(c/2L)进行调制。这种配置能让两个反向传播的脉冲在可饱和吸收体中对撞，相当于诱导最大透明度和最小损耗，从而提高调制对比度并确保高质量锁模。但这种配置必须调节吸收体的位置才能确保脉冲对撞。
基于这种配置，Jean-Claude Diels是第一个使用飞秒描述亚皮秒光脉冲的人[1]。由于100 fs光脉冲对应的长度约为30 µm，因此增益染料层与可保和吸收染料层都必须达到相同的数量级。不可避免的工作条件变化会导致不稳定的法布里-珀罗干涉，所以这种激光系统在本质上是不稳定的。
因此，飞秒激光的起点可能还要追溯到1981年[2]：
“
Generation of optical pulses shorter than 0.1 psec by colliding pulse mode locking
Appl. Phys. Lett.38, 671 (1981)
R.L. Fork, B.I. Greene, C.V. Shank
这篇文章来自贝尔实验室的Shank团队，介绍了一种环形染料激光器，其原理如下图所示。它通过反向传播脉冲的自动对撞实现锁模，故名对撞脉冲锁模(CPM)。相比前面的线性腔，环形腔没有导致不稳定的法布里-珀罗干涉，无需调节可饱和吸收体的位置，因此稳定性更高且脉冲更短。增益恢复时间很短，足以确保反向传播脉冲的对称饱和放大。
环形腔的对撞锁模
第一个CPM染料激光系统于1980年问世，其操作非常棘手。可饱和吸收溶液的喷嘴要产生50 µm厚的层流喷射，而其中一个反射镜必须在黄光波段有百分之几的损耗，以此将中心波长推到620 nm。这个高非线性装置具有和泵浦激光功率相关的自发混沌行为。对于快速反应染料，在增加泵浦功率时，增益介质中存储的能量首先允许出现两个反向传播的脉冲；继续增加泵浦功率会导致脉冲数增加一倍。如果泵浦激光功率出现微小的不可控变化，重复频率就会从100 MHz跳升到200 MHz。
第一个CPM染料激光系统的原理图
第一个CPM系统的照片
这种飞秒脉冲需要关注几乎整个可见光范围内每个频率的相位。由于色散效应，当光脉冲通过某些透明材料时，蓝光比红光的延迟更大，由此导致脉冲的时间展宽。巧合的是，色散问题早在1964年就有了现成的解决方案：GT干涉仪[3]。François Gires和Pierre Tournois证明可通过负色散压缩正啁啾脉冲，并预示了通过激光脉冲压缩产生高功率脉冲的方法。
E.B. Treacy将GTI改成了使用两对光栅的配置[4]，其原理如下图所示。1981年底出现了一种染料放大器，可将脉冲能量放大至350 µJ，以70到90 fs的脉宽提供0.3到3 GW的峰值功率。
Treacy脉冲压缩器原理图
Thorlabs庆祝女性历史月回顾
Donna Strickland通过她与Gérard Mourou共同开创的啁啾脉冲放大(CPA)技术彻底改变了激光物理学，使高强度脉冲激光能够用于医疗过程、精密制造和科学研究。
她的工作对光子学产生了持久的影响，使超快激光功率更高且应用更广。她还致力于塑造STEM教育的未来，鼓励女生从事物理学研究，激励下一代探索激光科学的前沿。
CPM的稳定
虽然CPM染料激光器已在很多实验中取得成功，但如何降低强度波动仍是一个迫切需要解决的问题。
1982年，Shank研究小组收到了来自北得克萨斯州大学Jean-Claude Diels研究小组的一篇预发表文章：CPM脉冲通过腔外的玻璃片会变窄，这说明腔内存在负啁啾。为了优化脉冲的群速度色散(GVD)，作者在环形腔内用一个棱镜改变脉冲经过的玻璃长度，从而引入可控的正GVD，以此补偿可饱和吸收体引起的负GVD。通过调节可饱和吸收染料的浓度和棱镜的位置，他们获得了60 fs脉冲，从而打破了90 fs的脉宽纪录[5]。
随后，贝尔实验室的两个团队合作开发了一种新的CPM系统[6]，他们在腔内成功使用四个棱镜控制群速度色散，从而创造了30 fs的脉宽新纪录。
作为团队中的孤子大师，John Gordon已证明了单模光纤中的光孤子传播。他认为这种设计让飞秒激光器从纯粹的被动锁模腔变成了类似于孤子的锁模腔：正群速度色散(棱镜组)对非线性负群速度色散(激光腔元件)的精确补偿。这种补偿效应使锁模更稳定，使脉冲的强度波动显著减小。由于这种补偿不是连续发生的，而是交替地通过棱镜和腔内的其它元件，因此不能叫做孤子传播。而且，光脉冲在腔内传播时有补偿增益和损耗，但真正的孤子不是这样，因此人们用准孤子描述这种新的激光工作模式。
在腔内使用四棱镜压缩器的CPM系统
Thorlabs UltraFast Optoelectronics
值得一提的是，这个30 fs脉宽的创造者之一Janis Valdmanis于2014年开创了Thorlabs的超快光电子学团队。另外，诺奖官网在Gérard Mourou传记中提到：
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With his golden hands, Janis showed that sub-millivolt, subpicosecond signals could be measured. The EOS technique became an indispensable tool to visualise THz electrical signals.
Thorlabs UFO位于密歇根州的安娜堡，专门生产从基本元件到仪器和子系统的高速光电子产品，包括带宽最高110 GHz的发射器、激光器和探测器，其中很多用于光纤通信行业。
由于布儒斯特棱镜不会产生光学损耗，当时有人提出用棱镜代替脉冲压缩器中的光栅。在没有任何理论支持的情况下，人们没有理由相信一组具有正色散的棱镜可以产生净的负色散。因此，棱镜压缩器的理论还在等待一位叫做马丁内斯的阿根廷人。
作为Shank团队的一名博士后，他和同事证明棱镜组可通过特别的几何结构提供净的负色散[7]。布儒斯特棱镜必须以最小偏转角放置，使光束通过时不产生畸变，而且p偏振光不会在八个棱镜表面上产生反射损耗。
马丁内斯教授不久前通过Thorlabs网络研讨会平台作了一期题为从艾瓦(EW)激光到非线性显微镜：驯服超短脉冲形状的讲座。
钛宝石锁模时代的到来
CPM的准孤子行为主要源自染料自相位调制引起的频谱展宽，这种理解主导了飞秒激光器的发展。1990年，苏格兰圣安德鲁斯大学Wilson Sibbett团队设计了一种更简单的超短脉冲激光腔[8]，一举摘下了可调谐激光器领域的圣杯，摆脱了造成无数污渍且需要频繁维护的染料溶液喷嘴。
一位染料激光器使用者(来源O. Svelto报告)
Sibbett教授当时正在研究宽谱固态增益材料，重点是掺钛蓝宝石(Ti:Sa)。他将一台商用可调谐皮秒激光器中的染料喷嘴换成了钛宝石，并在实验中发现激光器会随机地开启锁模工作，随后更发现轻微扰动激光腔就能开启锁模。他还在腔内加了一对布儒斯特棱镜，用于补偿脉冲的群速度色散，由此产生的脉宽为60飞秒。
钛宝石锁模激光器示意图
由于激光物理学领域还没有充分认识到自相位调制产生的群速度色散和棱镜压缩器之间的相互作用，因此钛宝石激光器的工作方式被称为魔术锁模。如上图所示，钛宝石锁模激光器的设计简单很多：不用环形腔；不用可饱和吸收体；只用一种介质就可确保宽带增益和自相位调制锁模；只用两个棱镜就能补偿频率啁啾。
1990年显然标志着飞秒脉冲产生技术的成熟。
Ursula Keller通过她发明的半导体可饱和吸收镜(SESAM)改变了超快激光物理学，使锁模激光器在医学、制造和通信领域中得以广泛应用。
作为光子学研究领域的领军人物，她不断推动激光技术的发展，倡导STEM领域的性别平等，指导下一代科学家和工程师。
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟
