第1章 激光原理与技术概述
1.1 引言
1.1.1 激光技术简介
激光（laser）是“受激辐射引起的光放大”的英文名light amplification by stimulated emission of radiation**个字母的缩写。1917年，爱因斯坦提出了受激辐射理论，为激光的产生打下了理论基础。1953年，美国物理学家查尔斯 哈德 汤斯和阿瑟 肖洛制成了**台受激辐射微波放大器（microwave amplification by stimulated emission of radiatio，MASER），获得了高度相干的微波束。1960年，美国休斯飞机公司科学家梅曼利用红宝石成功制成了**台激光器[1]。激光被认为是20世纪继原子能、半导体、计算机等之后推动人类文明发展和进步的又一重大发明。在过去的60多年里，激光的研究与应用获得了巨大的发展。目前，激光应用已经渗透到人类生活的方方面面，在日常照明、显示、通信、医疗技术、交通、国防工业、科学研究及工业制造等领域都展示了极大的价值和广阔的应用前景。在国家出台的“十四五”规划战略中，先进激光技术与加工装备被列为我国未来十五年重点发展的技术之一，也是重点布局的高端装备产业之一。
激光这个名字本身反映的就是激光器的工作原理。原子中的电子吸收能量后可以从低能级跃迁到高能级。合适频率的光子可以诱发高能级的电子回落到低能级，并额外释放出与入射光子相位、频率和振动方向都相同的光子。因此相比普通光源，激光具有一些非常重要的特性。*先，激光单色性好。正如它的定义，激光是受激辐射引起的光放大，因此它所发出的所有光子与入射的激发光子完全一致，所以激光波长范围很窄，而普通光源发出的光波长范围很宽。其次，激光方向性好、亮度更高。激光的发散角极小，高度集中，而普通光源发出的光是发散的。*后，相同的频率、偏振方向和传播方向使得激光具有良好的相干特性，而这也是普通光源所不具备的。从激光诞生伊始，这些重要的特点让激光技术及其应用都迅速获得了巨大的发展和成功。
按运转方式分，激光器主要可以分为连续激光器和脉冲激光器。脉冲激光器的脉宽可短至1 ps（10-12 s）以下。锁模技术的发展更是让激光迈入飞秒（10-15 s）超快时代，并迅速应用到各个领域及前沿基础科学研究。飞秒激光技术与应用的发展也催生了多位诺贝尔奖获得者。例如，美国加州理工学院泽维尔（Zewail）教授因在飞秒化学方面的开创性贡献而获得1999年诺贝尔化学奖[2]。法国科学家热拉尔 穆鲁与加拿大科学家唐娜 斯特里克兰则因为发明啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification，CPA）技术而和同样在激光应用领域做出卓越贡献的光镊技术的发明人美国科学家阿瑟 阿什金分享了2018年的诺贝尔物理学奖[2-5]。
1.1.2 基本原理
激光器是产生激光的装置，主要由泵浦源、谐振腔、增益介质等组成，如图1-1所示。激光的产生本质上是一种发光现象。原子或者分子（增益介质）中存在许多能级，在没有外界激励的情况下，电子分布在低能级上。外界光照（泵浦源）可以将这些低能级上的电子激发到高能级，如图1-2（a）所示。高能级的电子处于亚稳态，可以以自发跃迁的方式回到低能级，从而自发辐射产生一个能量为 的光子，如图1-2（b）所示。自发辐射是一个随机过程，所产生的光子是各不相同的，传播方向和偏振态等都不同，不具有相干性。
图1-1 典型激光器装置模型
图1-2 电子的三种跃迁途径
（a）吸收；（b）自发辐射；（c）受激辐射
处于激发态的电子也可以在频率为 的光子的辐射场作用下跃迁到低能级，并释放一个与其具有相同特性的光子。这种过程称为受激辐射，如图1-2（c）所示。与自发辐射不同的是，受激辐射所产生的光子具有高度的相干性。在这个过程中，频率为 的光子也可以被吸收，从而将电子从低能级激发到高能级，此过程为受激吸收。
激发光通过增益介质时，受激辐射和受激吸收同时存在，相互竞争。当受激辐射的光子数目大于受激吸收的光子数目时，就可以实现光放大的效果；反之，则会出现光吸收。一般热平衡情况下，由于低能级上的电子数（N1）总是多于高能级上的电子数（N2），所以激发光通过介质时通常会伴随着光吸收。
因此，产生激光的其中一个必要条件就是N2大于N1，即粒子数反转，而这是热平衡条件下不可能实现的。只有存在外界能量激励时，才能让电子处于非平衡分布，从而实现粒子数反转。在这种状态下，一束频率为 的光束即可激发有效的受激辐射，获得放大的光输出，即光增益。也因此，这种产生受激辐射的材料被称为增益介质或者激活介质。
实际工作的激光增益介质都需要存在亚稳态能级（E3能级），以利于实现粒子数反转。简而言之，电子在高能级（图1-3中的E2能级）的寿命太短，往往难以获得粒子数反转。这个时候，如果存在另一个比E2能级低的E3能级，电子在其上的寿命要远远大于在E2能级上，也就是说电子可以在E3能级停留更长的时间。从低能级E1泵浦到E2能级的电子，很快以非辐射跃迁的方式转移到E3能级，如图1-3（b）所示。只要电子在E3能级上停留足够长的时间，经过不断的泵浦激励及电子转移，E3能级上的电子数就有可能大于E1能级上的电子数，从而实现粒子数反转。当然，此处讨论的是三能级情形，类似地，四能级系统也可以实现有效的粒子数反转，如图1-3（c）所示，且激励能量相比三能级系统降低不少。
激光泵浦可以通过光激发、化学反应激发、电激发等方式来实现。光激发一般用于固体激光器，可以使用脉冲氙灯、半导体激光器等。化学反应激发则主要用于化学激光器。电激发常用于气体激光器。随着半导体工业的发展，特别是量子点研究与技术的进步，电激发目前也被广泛用于固体激光器。
图1-3 增益介质的工作模式与激光输出
（a）泵浦与粒子数反转；（b）受激辐射与光放大；（c）受激辐射与光放大
除了泵浦源和增益介质之外，激光器还有一个必要的组件：谐振腔。谐振腔的作用主要有两个：一是滤掉由自发辐射引起的放大的受激辐射，因为其随机的取向不利于获得高质量的激光束；二是实现多次增益，获得更高能量输出。介质的增益系数和长度尺寸总是有限的，入射光子激励的单次增益较弱，难以形成激光振荡。于是，科学家们通过在增益介质的两端加上反射镜的方式，使垂直于反射镜端面的光子反复来回经过增益介质，从而可以反复诱发亚稳态能级上的电子发生辐射跃迁，直至发生雪崩式光放大。在这个反复振荡的过程中，其他非同轴的光子会溢出腔外，从而被滤掉，如图1-1所示。*终从反射镜输出的就是高能量相干激光束。激光器的输出波长由激光器的增益介质决定，激光重复频率由谐振器决定。
提高激光的输出功率是激光工作者孜孜不倦的追求。从激光器三要素及其设计上来优化（如增加组件尺寸）可以提高激光强度，但是技术和经济条件并不允许材料的尺寸无限增大，所以从激光被发明出来，激光工作者就在努力开发其他提高激光功率的方法。如前所述，根据激光的时间特性，可分为连续激光和脉冲激光。实现脉冲激光输出是提高功率非常有效的方式，也是目前获得超高功率激光*主要的方式之一。脉冲激光的脉宽越窄，峰值功率越高。提高脉冲能量和压缩脉宽是人们获得超强超快激光的两条路径，而调Q和锁模是目前使用*为广泛的实现短脉冲强激光输出的技术手段。
早在1961年，就有学者提出了调Q的概念。翌年，**台调Q激光器便被制成了。调Q的基本原理是，在激光器泵浦的初期，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，以至于激光振荡阈值非常高而暂时无法达到振荡条件。在这个阶段，泵浦光源不断激励增益介质，并使得反转粒子数持续增加，直至达到峰值。再突然增大谐振腔的Q值。由于此时反转粒子数远大于阈值，激光振荡可迅速建立起来，亚稳态上的粒子瞬间发生受激辐射，光子如雪崩般快速增长，从而使峰值功率急速升高。紧接着，反转粒子迅速被耗尽，脉冲很快结束。*终，激光器便可输出窄脉宽和大峰值功率的脉冲激光。调Q技术可以使激光脉冲输出性能提高几个数量级，可将脉宽压缩至纳秒量级，峰值功率高达109 W。
调Q技术主要包括以下几种：电光调Q、声光调Q、染料调Q等。其中电光调Q和声光调Q技术，其Q开光开启延迟的时间是可控的，一般称为主动调Q技术。染料调Q技术的Q开光开启延迟时间是由材料（可饱和吸收体）本身决定的，故称为被动调Q技术。
锁模技术是进一步对激光进行调制。连续激光中包含几个振幅和相位*立、随机的振荡模式，其各个纵模是非相干叠加的，激光输出强度近似常数，正比于各纵模光强之和。如果这些纵模有固定的相位关系，那么输出的激光强度就不再为常数，而是呈现一定的强度起伏，即具有脉冲特征。所以，锁定相邻纵模之间的相位差，保持频率间隔固定，可以使得各模的振动方向或方式一致，因而具有相干性。*终输出的光波即为周期性相长干涉的强激光脉冲。这就是激光锁模技术。锁模技术可以实现脉宽为飞秒级，峰值功率高于太瓦的超短脉冲激光，从而为超快超强激光技术发展及应用奠定了基础。锁模方法主要分为主动锁模、被动锁模、克尔透镜锁模（自锁模）等。从20世纪70年代的染料超快脉冲激光器，80年代的钛蓝宝石超快脉冲激光器，90年代的稀土掺杂光纤超快脉冲激光器再到近年的低维材料超快脉冲激光器，每一次技术的飞跃都推动着超快激光应用领域的扩展及成本的降低。伴随着新材料的涌现，特别是纳米技术的发展，大量研究表明碳纳米管、二维层状材料、等离子体纳米晶及拓扑绝缘体等可实现有效的锁模，从而输出皮秒甚至飞秒量级的超快激光脉冲，但是受限于材料的损伤阈值和尺寸，单脉冲能量较小，还有待进一步提升，所以目前基本上还处于实验室研究阶段[6-8]。
在提高激光脉冲峰值功率方面，除了前面所说的增加谐振腔尺寸和压缩脉宽外，由法国科学家热拉尔 穆鲁和加拿大科学家唐娜 斯特里克兰在1985年发明的啁啾脉冲放大技术是*显著有力的技术手段。如图1-4所示，*先利用展宽器对振荡器输出的超短脉冲引入一定的色散，从而将低能量的超短激光脉冲在时域上进行展宽，降低峰值功率，然后在放大器中进行放大。获得较大能量之后，压缩器补偿色散，脉冲持续时间被压缩至原来的宽度，这样就获得了超强超短激光脉冲。自啁啾脉冲放大技术诞生以来，飞秒激光的峰值功率提高了超过10个数量级，激光装置的体积及成本也大大降低，为超快激光在高校、研究所及工业界的广泛应用奠定了基础。
图1-4 啁啾脉冲放大技术原理
1.1.3 激光技术发展前沿与趋势
激光技术理论的发展、装备技术的进步、新材料的不断涌现等都为激光技术的发展提供了动力和支撑。极端环境应用需求，强场物理的研究，集成光学、光电子学的发展及竞争日益激烈的国际环境也为激光技术的发展提供了新的契机，并倒逼学术界和工业界将激光技术推向新的前沿和领域。目前，激光技术的发展前沿与趋势大致可以总结为以下几个方面。
1. 获得超强超短激光脉冲
提高飞秒激光脉冲能量，为微纳加工和强场物理研究提供更强大的工具。超短脉冲激光技术飞速发展，超强超短脉冲激光的能量在时间、空间中高度集中，聚焦后的光场强度可以达到1018 W/cm2以上，远远超过原子内部的库仑场（I＞1016 W/cm2）[9]。具备这样高强度的光源，其与物质的相互作用进入到了高度非线性和强相对论性的全新领域，在实验室内就可以创造出超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度综合性极端物理条件，在激光聚变、激光加速、等离子体物理、天体物理、高能物理、核物理、材料科学等领域具有重大应用价值[10]。超强超短激光的发展与应用，是国际激光科技的*新前沿与重点竞争领域之一。如图1-5所示，发达国家正在大力发展超强超短激光实验装置，竞争激烈[11， 12]。国际上正在大力发展超强超短激光光源及科技创新型平台，正处于取得重大科学技术突破、开拓重大应用的关键阶
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