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啁啾镜
简单来讲，对于一个含有很多频谱成分的脉冲，只要通过介质传播，就不可避免的会引入啁啾。这是因为不同的频谱成分在介质中传播的速度不同，单位时间内就必然会产生群速度延时；同时在介质中传播的距离越长，各波长间的延时也会越大，引入的啁啾量也会越大，造成脉冲在时域上变宽，如图2所示。图2啁啾镜原理示意图这也是为什么我们在使用超短脉冲激光光源时，要尽量避免使用透射性元件的原因之一（其它原因还包括非线性效应等），一旦脉宽变宽了，超短脉冲激光光源也就失去了它的作用。啁啾镜最早是由匈牙利科学院的R.Szip?cs在年的一篇文章中提出的，它最基本的原理是：在镜片基底上镀多层膜，通过设计各层膜的厚度和材料（即折射率），控制激光不同频率成分在多层膜中穿透的深度（这个过程相当于人为引入了设计好的群延时），达到控制色散的目的。啁啾镜是钛宝石宽谱振荡器的核心元件，而钛宝石振荡器又是超强激光的起点和时间中枢，因此优质啁啾镜保证了振荡器锁模稳定性和脉冲的时间质量。目前最优质的啁啾镜制作工艺还被掌握在以Layertec公司、LaserOptik公司和UltrafastInnovations公司为代表的德国商业化公司手中。国内的中国科学院上海光学与精密机械研究所在年就已经开始了啁啾镜的研制工作[1,2]，设计了中心波长nm，带宽约nm的啁啾镜对，在nm-nm波长范围内提供约?60fs2群延迟色散(GroupDelayDispersion,GDD)，通过啁啾镜对的形式使GDD振荡波纹由单个啁啾镜的±fs2减小到±20fs2。采用双射频离子束溅射方法进行制备，用白光干涉仪进行色散性能测试，从测试结果可以看出，制备的啁啾镜的反射率、GDD性能和设计值符合得比较好。制备出的nm-nm超宽带啁啾镜对在钛宝石激光器腔外进行色散补偿，原输入脉冲由24fs-27fs压缩到12fs，这是国产超宽带啁啾镜对的首次应用。从发表的系列文献中测量数据来看，实验室内啁啾镜的制作工艺已经相对成熟。目前还尚未得到有关国内成熟批量化生产的讯息，唯一有据可查的是福建福晶科技股份有限公司网站有啁啾镜的产品宣传资料。2
镀金宽带反射式光栅、介质膜窄带反射光栅和介质膜透射光栅
光栅是飞秒激光的核心器件，被广泛应用于色散管理单元，实现脉冲的展宽和压缩。在大能量钛宝石飞秒激光放大和光参量啁啾脉冲放大系统（OpticalParametricChirped-PulseAmplification，OPCPA）中，可采用镀金宽带反射式光栅进行脉冲压缩。长脉冲的钕玻璃激光系统和掺镱（Yb）大能量啁啾脉冲放大系统中，更适合使用介质膜反射光栅进行脉冲压缩。对于高重复频率Yb激光器，大多使用高效率介质膜透射光栅。过去的二三十年，最广为人知的就是瑞典的Spectrogon制造的镀金反射式衍射光栅，但其衍射效率一般仅有90%，这导致很大一部分功率被消耗，而且它的最大尺寸约为mm，限制了大能量场景下的应用；相较之下，日本的Horiba公司和美国Polymouth公司可以制造米级的成熟产品化反射光栅，用于大能量激光装置。大口径镀金反射光栅如图3所示。图3脉冲压缩器用的大口径镀金反射光栅近年来透射式的光栅制备技术也已经十分成熟，德国的Gitterwerk的透射光栅可以获得最高99.5%的透射效率，损伤阈值也得到了提高，这对高功率的飞秒激光器十分有利。国内目前尚未发现可提供飞秒激光用光栅的成熟商业公司。但是，有多家研究机构可提供米级的反射式光栅，比如中国科学技术大学国家同步辐射实验室衍射光学元件精密加工实验室。苏州大学、中国科学院长春光学与精密机械研究所在光栅的研制方面有多年的技术积累，多项技术成果突破国际封锁和禁运，已经可以提供米级尺寸、平均97%衍射效率的反射式脉冲压缩光栅。清华大学致力于光栅的拼接，也可以达到大面积光栅的效果。3
啁啾光纤布拉格光栅
在光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating,FBG)中，光纤纤芯内的折射率沿其长度从高折射率变为低折射率。折射率的调制导致FBG像镜子一样反射某些波长并透射其他波长。FBG反射的波长取决于光纤内高折射率和低折射率区域之间的间距。FBG内的这种折射率调制可以是稳定的周期性变化或可变的“准周期性”变化。如果FBG包含具有不同周期的区域，则单根光纤可以包含多个“镜子”，从而导致不同波长的光从光纤的不同位置反射。周期沿光纤长度平滑变化的FBG称为“啁啾”光纤布拉格光栅（ChirpedFBG）或简称为CFBG，如图4所示。图4CFBG原理示意图FBG和CFBG被应用于很多场景，这些经过特殊工艺制成的光纤可以通过在沿FBG的不同位置反射不同波长来补偿或增大色散。具体来说，CFBG可以设计成使较慢移动的红光比较快移动的蓝光反射得早或晚。如果红光反射得更早，那么延时可以让红光赶上蓝光，从而产生更短的脉冲；相反，如果红光比蓝光反射得晚，那么脉冲会进一步变宽。Yb光纤激光器和固体激光放大系统中，CFBG和VBG被广泛的应用于色散控制，进而实现脉冲的展宽或者压缩。这两种器件的市场目前被欧美公司所占领，其中代表有加拿大公司Teraxion，和被IPG收购的美国Optigrate公司。在国内市场，可喜的是珠海光库科技股份有限公司已经在色散可调谐光纤光栅脉冲展宽器技术上取得突破，深圳技术大学郭晓杨课题组也突破了用于脉冲展宽的CFBG技术。4
半导体可饱和吸收镜
半导体可饱和吸收镜(SemiconductorSaturableAbsorberMirror，SESAM)（样式见图5）器件基于半导体外延材料沉积的纳米技术，可以将材料层控制到亚纳米精度。超高的工艺精度可保证SESAM完全控制激光器的关键设计参数，例如激光吸收和反射的幅度和相位，饱和通量及恢复速度等。图5用于锁模激光器的SESAMSESAM涉及到半导体和固态激光物理学的关键技术，它的发明对超短脉冲激光器的脉冲宽度和平均功率等参数带来了前所未有的性能改进。在医疗、工业、计量和通信应用中发挥着重要的价值。SESAM作为超短脉冲激光器的核心器件，其主要用于皮秒和飞秒激光器的锁模。目前SESAM的核心技术掌握在德国和瑞士手中，以德国商业化公司BATOP为典型代表。国内研究各种新型可饱和吸收体的课题组很多，主要以碳纳米管、二维材料等为主，实用性还需要商业验证。目前报道的可以用于激光器锁模的SESAM来自于北京大学张志刚研究组，报道称，该器件已经用于工业激光的种子源中。5
大尺寸高质量钛宝石晶体
基于掺钛蓝宝石晶体——Ti:Al2O3激光增益介质的问世，给飞秒激光带来了突飞猛进的发展，开创了全固态超短脉冲激光领域的新纪元。由于钛宝石具有高增益、高储能密度、宽调谐范围以及良好的传导性能和机械性能等其他激光增益介质无法比拟的优点，使其成为飞秒激光和放大系统中优良的工作介质。特别是其非常宽的荧光光谱，可支持在中心波长nm附近周期量级的脉冲（一个光学周期2.7fsnm）。目前尚未发现有其他介质比钛宝石更适合做超短脉冲激光器的增益介质。上海光机所在生长太尺寸钛宝石激光晶体方面已取得关键技术的突破[3]（图6），有望进一步产品商业化，但整体而言，美国的GTAT还是垄断着全球的钛宝石晶体市场。图6拍瓦激光器中的大口径钛宝石晶体6
薄片激光模块
薄片激光器是一种特殊的二极管泵浦高功率固态激光器，由斯图加特大学的AdolfGiesen小组在年代推出。与传统棒状激光器或板条激光器的主要区别在于增益介质的几何形状：激光晶体是一个薄片（见图7），其厚度远小于激光束直径。图7薄片模块示意图晶体产生的热量主要通过一个端面纵向散出，冷却端面具有反射激光和泵浦光的介质镀膜。薄片也经常被称为ActiveMirror，因为它充当具有激光增益的镜子。在激光谐振腔内，它可以用作端镜或折叠镜。在后一种情况下，每次谐振腔往返有两次激光辐射的双通，因此每次往返的增益加倍并且阈值泵浦功率降低。薄片激光技术是工业激光器的典型技术方案，薄片激光由于其极佳的导热性能，是高重复频率工业激光器的首选技术路线。目前德国的通快集团掌握这一技术，其薄片激光器已经成功应用于激光加工市场，但是其生产的薄片增益模块不独立对外销售。同样位于德国的Dausinger+Giesen公司也可以生产这种模块，但质量和市场占有率不敌通快集团，而国内则无公司可生产薄片模块。科研单位中，华中科技大学激光加工国家工程中心和中国科学院大连化学物理研究所先进精密光学技术研究组已经开展多年薄片激光技术的研究，期待未来能够孵化成熟激光公司。7
脉冲整形器
以钛宝石飞秒放大器为例，为了获得尽量窄的飞秒脉冲和高峰值功率输出，在放大过程中需要注意两个问题：一个是色散补偿要精确，飞秒种子脉冲在展宽和放大后如果压缩时色散补偿不好，会导致脉冲变宽；另一个是CPA放大过程中会存在增益窄化效应，即放大过程中如果不采取相应措施，远离中心波长的光谱成分将无法得到有效放大，造成脉冲的光谱变窄。压缩效果差和光谱变窄都会导致脉冲的输出脉宽不理想，造成激光输出峰值功率不足，而脉冲整形器（DAZZLER）正是为解决这两个棘手问题而生。图8是声光调制色散控制器件DAZZLER压缩脉冲原理图。图8声光调制色散控制器件DAZZLER压缩脉冲原理图抑制增益窄化效应DAZZLER同样可以轻松应对，为了解决放大过程中的光谱变窄问题，它可以对脉冲的光谱形状进行预处理，比如将类高斯形状的光谱调制为马鞍型（中间低两边高），以抵消因增益曲线的边际效应造成的光谱窄化。此外，DAZZLER还有针对OPCPA放大器优化的版本，主要功能体现在提高高阶相位的补偿精度，同时在放大过程中精确控制脉冲的宽度；而且由于OPCPA放大器对延时的精确要求，DAZZLER也具备超低时间抖动的设计。为了满足一部分科研用户对于CEP锁定功能的需求，DAZZLER还可外设锁定电路，对CEP信号进行精确闭环控制。利用超短脉冲激光的宽谱特性，对其进行光谱整形，从而到达控制脉冲质量和形状的目的，目前主流的技术是声光调制器，这种技术被法国的Fastlite所掌握。国内市场上暂时未见任何国产商品化产品。8
脉冲选择系统
在超短脉冲激光器中，需要各种类型的脉冲选择系统。首先，激光放大器需要将种子光的重复频率降低；其次，再生放大系统需要选择合适的脉冲注入到激光腔中，并在合适的时间导出；最后，为了配合用户选择合适的脉冲至应用端，需要再次使用脉冲选择器。从类型上来分，脉冲选择器可分为电光和声光两种种类（如图9）。图9声光和电光选择器示意图具有非中心对称的非线性双折射晶体（或其他光学介质）被施加定向的电场后，其双折射光学性质会随着电场的调制发生变化。为铭记德国著名科学家FriedrichPockels，这种折射率变化和电场成线性关系的电光效应被称作普克尔（Pockles）效应。施加了调制电压的非线性晶体器件一般被称作普克尔盒，被广泛应用于脉冲选择器中。再生放大器和终端脉冲选择均使用基于电光效应的脉冲选择系统。声光脉冲选择器的原理是向声光调制器施加一个射频脉冲，以便将所需脉冲偏转到与入射激光略微不同的方向上。偏转的脉冲可以通过设计的孔径，而未衍射的脉冲则被阻挡。调制器所需的速度由脉冲序列中脉冲的时间距离（即由脉冲的重复频率）决定，而不是由脉冲持续时间决定。电光调制器是一种更为快速的脉冲选择技术，但由于高压驱动器无法在高重复率下切换，因此通常不能兼容高重复频率。在这种情况下，尽管AOM（AcousticOpticalModulator）速度较慢，但可以兼容超过MHz的重复频率。得益于国内非线性光学晶体的国际领先地位，我们可以获得较为成熟的电光脉冲选择系统，比如福建福晶科技股份有限公司、济南快谱光电技术有限公司、青岛海泰光电技术有限公司等都可以提供商品化产品。声光脉冲选择器，目前国内的厂商还比较少，有公开宣传资料的只有福建福晶科技股份有限公司，大部分市场仍被法国AAOptoElectronic公司、英国GoochHousego公司等占据。参考文献：1.LiuJ，WangYZ，ZhaoRR，etal.Design，fabricationandapplicationofdispersivemirrorswithaSiO2sculpturedlayer[J].Opt.Mater.，，8，-.王胭脂，邵建达，易葵，等.宽带啁啾镜对的设计和制备[J].物理学报，，62(20):.3.冯锡淇，韩孝朕.钛宝石激光晶体缺陷研究进展[J].激光与光电子学进展，，57(23):征稿启事Contributions本