激光技术怎样(激光的特性是什么？三“好”一“高”吗？)

Posted 2023-06-01

篇首语：如果这世界上真有奇迹，那只是努力的另一个名字。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了激光技术怎样(激光的特性是什么？三“好”一“高”吗？)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

激光技术怎样(激光的特性是什么？三“好”一“高”吗？)

作者：何鹏武汉华族激光技术有限公司、西北工业大学东莞市三航军民融合创新研究院

（本是个科普贴，承蒙光电汇抬爱，发出来与光电学子、同行及专家共同探讨。如有疏漏，恳请指正。）

入门的时候，老师讲激光的特性，都是说：单色性好、相干性好、方向性好、亮度高，但这仅限于入门。这是为了让你对激光有一个大概的认知，让你对激光和自然光的特性有所区别。

随着学习、认识的加深，这些先入为主的特性描述就不再准确了。

单色性好，未必。

以我从事的飞秒激光来举例。飞秒种子一定是多纵模振荡，波长动辄覆盖几纳米到几百个纳米，妥妥的复色光，单色性在哪？

中科院物理研究所L07魏志义老师组张青师姐做的倍频程钛宝石振荡器光谱[1]（覆盖600-1250 nm超宽范围）：

图1. 倍频程掺钛蓝宝石飞秒激光振荡器光谱

L07组，刘阳阳博士与我合作的薄片超连续产生光频谱[2]：

图2. 熔融石英薄片组产生的白光超连续，每加一片的展宽效果

华南理工大学李志远教授光子晶体的飞秒白光产生照片：

图3. CPPLN级联高次谐波与自相位调制的共同作用下产生的白激光

物理所L07组何会军博士与L01组胡晨阳博士合作的光子晶体高次谐波[3]，覆盖400-2400 nm的超宽带：

图4.中红外飞秒激光在MgO:CPPLN晶体产生超宽带激光的输出光谱

这些林林总总的超宽带飞秒激光产生装置，输出波长从紫外到红外应有尽有，这比一些LED还宽了，但它是激光吗？是。

相干性好？以教材的相干性定义，未必。

原因和前面一样，单色性越好，相干长度Lc越大，相干性就越好。如果不单色呢？

调过干涉自相关仪测亚十飞秒脉宽的，都体会过要找干涉条纹多痛苦。扫Delay的时候，干涉条纹常常一闪即逝，因为相干长度太短了，5 fs脉冲对应1.5 μm空间长度，手一摸就变，太酸爽了。相对而言，测放大的脉宽TG-FROG好调一点。如下是物理所L07组詹敏杰师兄搭建的TG-FROG与实验照片[4]：

图5. (左)TG-FROG结构图与（右）瞬态光栅产生光斑照片，由苏亚北博士提供

但是相干长度短，飞秒激光就不相干了吗？不是。零色散下飞秒激光传播几十公里各光谱成分依然可以保持很好的相位一致，甚至载波包络相位都可以控制，不然空间光梳还怎么玩？只能说狭义的描述单色光的相干长度、相干时间不足以约定飞秒激光的传播特性。国际激光巨头美国相干公司Coherent，和我老东家光谱物理公司一样，是最大的科研飞秒激光器厂商之一，如果飞秒都不Coherent了，这不是砸自己招牌吗？

方向性好？不好说

我们知道有个专门的指标M2因子来描述激光的光束质量，对于光束质量好的M2可以做到略大于1，接近衍射极限，比如我们武汉华族激光有限公司[5]何会军博士开发的Yb全固态飞秒再生放大器的M2：

图6. 武汉华族激光Archer系列毫焦级Yb飞秒放大器输出光斑

基本可以保证1.1以内的品质因子，这就意味着同样焦距可以聚焦更小，同样束腰直径可以发散更小。

而对于毫焦量级脉冲抽运的钛宝石再生放大而言，当没有种子注入的时候，普克尔盒不加电旋至透明状态，微调1/4波片，再生腔也可以出光，俗称free-running，出的是ASE，也就是自发辐射的光放大。其光谱非常宽，和钛宝石锁模飞秒种子源差不多，中心波长在780 nm左右。我第一次调还以为是锁模了，后来才知道是ASE，它介于激光和荧光之间，粗略说具备空间相干性，不具备时间相干性[6]。但凡看过激光原理的知道，自发辐射时间上是非相干的，各光子相位是完全乱掉的。然而对于free-running时产生的自激振荡ASE，空间上的相干性是非常好的，M2不输种子注入后，有时甚至更好，但ASE不是激光。

另外，像氮分子激光器实际上也是ASE，只是它增益很强，连谐振腔也不需要。我做钛宝石多通放大的时候也遇到过类似情形，本来以为放大了，结果挡住种子，功率一样的高。多通属于行波放大，类似光纤直接行波放大一样，不构成谐振腔，但是当增益很强的时候会导致自发辐射放大：

图7. 脉冲抽运钛宝石多通放大器的自发辐射放大

是不是光斑除了有点切边还可以呢？有时正着出光，有时反着出，像《国产凌凌漆》电影里的“古灵精怪枪”，有次反着出光把我展宽器光栅打坏了！

图8. “我这支枪叫古灵精怪枪，向后射完向前射，你用之前不问我下。”

那么对于多模半导体模块或者Bar条整形耦合的激光呢？M2有的可以高达几十或上百，是激光吗？是。

可能大家对钛宝石free-running或氮分子激光不熟悉，那再举个更耳熟能详的例子，EUV光刻采用高功率CO2激光聚焦在30 μm的锡液滴上，通过激光诱导等离子体激发13.5 nm极紫外辐射，EUV波长短，粒子性够强，方向性够好了吧？（不好也做不了光刻呀）但它是非相干的，也不是激光。

图9. ASML公司EUV光刻机模型图

亮度高？

这个就不值一驳了，脱离数字比较特性都是耍流氓。路上十块钱买的532 nm绿光激光笔，功率也就几毫瓦，和上千瓦的氙灯比功率、比流明被秒的渣都不剩，于是你又举出几万瓦的光纤激光器或自由电子激光器，他又搬出太阳和中子星X/伽马射线暴，报复升级，没完没了......

图10. 这张好像是Quasar

讲到这里，单色性好、相干性好、方向性好、亮度高都不成立了，那激光的本质特性是啥？

OK，这也是我在进行研究生复试时，导师反问我的问题。

特别惊讶给我的压轴题居然是送分题，照本宣科背了“三好一高”，还补充了一个偏振性，被老师进行了以下教育：

“你的总分和专业课都排第一，我本以为你会有独立见解，但很失望。研究生对学生的要求和高中大学不一样，你要独立承担科研任务了，学习书本是一方面，但切记：尽信书，不如无书。要结合你的研究，批判性地消化所学的知识。没有独立思考、对权威的反思，否定之否定，就谈不上科学的进步。

他讲解了“三好一高”为什么失之片面后，我问：那，激光的本质特性是什么？

老师的回答是：只有一个，相位差恒定。

这位老师就是杨志勇教授，师从侯洵院士、侯伯宇教授，量子光学家，和我的博士导师魏志义教授同门。后来我在学习量子光学课程中一度受到杨教授一对一指点，受益匪浅，感谢从事科研一路以来得到各位恩师的教导。

随着认识的加深，我体会到其实这个限制也未必成立，比如CPA（啁啾脉冲放大）技术中，通过色散元件将脉冲展宽，各光谱成分的相位得到极大改变。早前有个不太准确的词叫解相干，然后再通过符号相反的色散将放大的光在时域上压缩回来。激光还是激光，相位差却像个橡皮泥一样，随你捏，只要能在某时某地捏回来，它还是相干，还具备激光特性。相位控制方面我相信研究时空聚焦、飞秒瞬态光谱成像的同行们更专业。然而这不代表对老师的否定，相反，有了这一层认识才对得起老师的指导。

图11.飞秒激光时空聚焦原理光路图[7]

正如同不归类于受激辐射产生原理的拉曼激光器，采用量子干涉效应使吸收相消的无粒子数反转激光器，不采用光学开腔的、可无阈值运转的微腔激光器，各种各样的新原理新技术，不断刷新着我们对激光的认识。

那么，什么是激光？激光的本质和特性是什么？

我这里不做回答。相信随着研究的深入，认识的加深，你会理论上一次一次推倒之前的认知，实践上不断刷新对激光的掌握和控制能力。

如此说来，教科书过时了吗？不然。

想起电影版的《倚天屠龙记》，张三丰问李连杰哦不，张无忌，“你还记得几招？”无忌说：“全忘了！”

图12.王晶《倚天屠龙记》剧照

学习激光初期，这些所谓特性描述，就像太极拳里的招式，只是引领你体会太极的“意”，等你掌握了“意”之后，招式就反而成了负累。是所谓无招胜有招。如同佛法中“法”字通“筏”，不是枷锁，只是渡你去彼岸的小船。当你熟练掌握各种原理和技术，你才能收获到新的自由。

激光是什么？

等待那一天，期待你的答案。

参考文献

[1] 张青, 赵研英, 魏志义. Generation of a Sub-10 fs Laser Pulse by a Ring Oscillator with a High Repetition Rate[J]. Chinese Physics Letters, 2009, 26(4):122-124.

[2] Peng He, Yangyang Liu, Kun Zhao, et al., High-efficiency supercontinuum generation in solid thin plates at 0.1 TW level [J].Optics Letters, 2017, 42(3):474.

[3] 何会军. 超短脉冲激光放大及中红外飞秒激光产生的研究.[D]北京，中国科学院物理研究所, 2018.

[4]詹敏杰. 极紫外阿秒激光脉冲的产生与测量研究.[D] 北京，中国科学院物理研究所, 2014.

[5]http://www.whhzlaser.cn/

[6]何鹏. 高平均功率钛宝石飞秒激光以及周期量级光脉冲的产生与控制. [D]西安，西安电子科技大学，2017.

[7] F.He et al, Opt.Lett.35,1106(2010)

☆ END ☆