激光技术的发展与未来

王晓楠 马文超 王绍卿

辽宁师范大学，辽宁 大连 116000

激光技术的发展与未来

王晓楠 马文超 王绍卿

辽宁师范大学，辽宁 大连 116000

继原子能，计算机，半导体之后，激光是上世纪人类的又一项重大发明。它使古老的光学技术焕发青春，同时也伴随了许多新兴的学科。激光正以特殊的方式影响着我们的生活。激光被誉为20世纪以来“四大”发明之一，不论作为生产制造工具，还是作为科研领域研究媒介，还是激光技术本身，都备受科学家瞩目，激光器发展一日千里。本文介绍了激光的发展历程还有对激光技术未来的展望。

调Q技术；锁模技术；啁啾技术

1 调Q技术

自1960年7月，世界上第一台激光器诞生。激光具有高相干性，高单色性的优点。激光慢慢地被人们广泛应用，影响着我们的生活，同样也被应用到科研实验中，对科技的发展产生了巨大的作用。渐渐地人们不满足于当时激光器的脉冲，使用各种方法想将其缩短。调Q技术就这么产生了，提高了功率，同时可以把激光器的脉冲缩短到纳秒量级。

1.1 调Q技术原理

调Q技术：一种激光技术。控制激光器内的品质Q按一定顺序改变。通过降低Q值，降低激光的产生，等到激光器上面积累了一定量的粒子，产生激光，输出巨大的震荡激光。

1.2 技术要求

虽然脉冲缩短了，但是也对激光器提出了要求。

1）品质因素Q能快速改变。

2）自发辐射的速率比泵浦的速率慢。并且在激光器上能级持续时间要长，可以积累粒子。

2 锁模技术

随着激光器的发展，产生的纳秒激光远远不能满足人们的需求，使用之前用的调Q技术再想把激光器的脉冲压缩到更短可能性不大了。

经过了几年的发展，人们终于在1964年提出了锁模技术。通过锁模技术，我们又产生出极短时间脉冲的激光，脉冲通常在皮秒，甚至还能产生飞秒。

2.1 锁模技术原理

锁模技术：当多于一个纵模的激光被激发的时候，激光器处于多模工作状态。在一个简单的激光器中，里面的模式都是独立振荡的，因此模式之间没有固定的关系，就好像一组彼此独立，频率稍有不同的激光从激光器中同时射出一样。每一束光的相位都不固定，而且相位可能因为各种原因产生随机的变化，比如就是激光器在工作时候，他的材料温度发生变化等。如果不允许模式独立振荡，而是要求每个模式与其他模式之间保持固定的相位，激光输出就会有很大的不同特点。这时候，输出的强度不再是随机性的变化或者近似为常数，而是由于不同模式的激光周期性的建立起相生干涉，导致产生脉冲激光。这样的激光器被称为锁模。

在调Q激光器中输出脉宽最窄的是透射式Q开关激光器，输出的脉冲最小为而是锁模激光器的脉宽为，比它窄了2N+1倍。锁模技术先后经历了主动锁模、被动锁模、碰撞锁模等阶段，后来又出现了由于增益介质本身的非线性效应导致的自锁模，称之为克尔透镜锁模，产生了飞秒量级的激光脉冲。

3 啁啾技术

随着科技的进步，人们又想要提高激光器的峰值，这个在实际的物理和科研试验中有重大的作用，比如激光控制核聚变，还有各种动力学的试验中，我们都需要激光有极高的脉冲，但是我们之前使用的锁模技术实现额脉冲频率的大小并不能达到这个要求。而我们知道改变脉冲宽度和脉冲能量就可以提高激光器的峰值。80年代中后期，啁啾放大技术就这么被人们发明了，基本过程：

在参量放大的过程中，现把其脉冲能量分成不同的激光种子，经过一系列的光学器件。然后再将不同的激光种子集中起来，进行耦合。这项技术使我们当时使用的激光器的功率提高了TW量级。从此超短超快激光器进入我们的生活。使我们的科技有了飞跃。

近年，啁啾技术产生的超短超快脉冲被我们大量的使用，如抽运探测超快光谱学，半导体中载流子行为的研究，量子系统相干控制等。在分子超快光谱学里，用10飞秒的时间分辨率可以测量分子的振动。实现对振动分子的研究。还有人用此测量化学键的断裂，为此获得了巨大的进步。

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4 发展现状

中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室最近研制成功5拍瓦（1拍瓦=1015瓦）超强超短激光放大系统，这是迄今国际最高峰值功率的激光放大系统，为研制10拍瓦超强超短激光装置奠定了重要的技术基础。

研究人员基于钛宝石晶体和啁啾脉冲放大技术，于2013年研制成功2拍瓦超强超短激光放大系统，为当时国际最高峰值功率的激光放大系统。随后又首次实现了百焦耳以上能量水平的宽带（70纳米）激光放大输出。该激光放大系统是目前国际最高峰值功率的激光放大系统。大口径高增益钛宝石放大器寄生振荡抑制技术的成功突破，为研制基于钛宝石CPA放大的10拍瓦激光装置奠定了重要的技术基础。

2015年被联合国定义为"国际光年"，以纪念千年来人类在光领域的重大发现。激光作为一门年轻的科学，近年来在应用及科研领域成果丰硕，激光涉及的领域也不断被拓展，在世界范围内掀起了一阵"光"热。今年，中国提出了"中国制造2025"，推动制造业向智能制造转化。激光作为先进制造的代表性工具，在工业应用方向已发展的较为全面，技术也较为成熟，未来市场也越来越大。另外，激光的特性可以创造特殊的实验环境，推动其他领域的科研发展。可以说，激光技术成了一个国家科技发展水平和制造业发达程度的重要体现。中国的激光理论一直处在世界前沿，近年来从理论到应用领域也有了长足的进步，和国际领先水平的差距逐渐缩小，相信未来激光技术还会取得更多的突破。

[1]周炳琨，高以智等，激光原理[M]，国防工业出版社，2011.

[2]江剑平.半导体激光器[M].电子工业出版社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].张英海,霍泽人,王宏锋,王卫东. 自由空间光通信的现状与发展趋势[J]. 中国数据通信. 2004(12).