可是,倒推30年,飛秒激光器還是富貴人家的“玩具”呢。當(dāng)時(shí)能輸出飛秒脈沖的還是對(duì)撞脈沖鎖模染料激光器。但染料激光器的初期準(zhǔn)直是一件非常復(fù)雜的事情,有時(shí)候甚至要花費(fèi)一個(gè)月的時(shí)間。聰明的公司,不會(huì)真的派人去現(xiàn)場(chǎng)為客戶(hù)安裝激光器,而是把需要的所有光學(xué)零件都包裝起來(lái),寄給客戶(hù),順便附送一盒錄像帶,讓客戶(hù)照著安裝。裝不好再派人,那就得另付錢(qián)。
1
偶然發(fā)現(xiàn)的“自鎖模”
染料激光器太不方便了,需要循環(huán),還有毒,人們就希望能夠找到更好的激光介質(zhì)。20世紀(jì)80年代,鈦寶石激光器作為寬帶可調(diào)諧激光器,已經(jīng)有很多應(yīng)用,但還不是飛秒激光器,因?yàn)轱w秒需要鎖模。而鈦寶石激光器的鎖模技術(shù),人們還在探索中。最初想模仿染料的“對(duì)撞”脈沖鎖模,不太成功,因?yàn)殁亴毷夏芗?jí)壽命比較長(zhǎng),不像染料那樣容易鎖模。后來(lái)又出來(lái)additive pulse鎖模,或再生鎖模,即將輸出激光的一部分能量,返回到腔內(nèi),與腔內(nèi)的噪聲“共振”,形成“鎖模”。那時(shí)大家都在這個(gè)方向嘗試各種反饋方式,有用光纖反饋的,也有用自由空間反饋的。其中,蘇格蘭的三所高校(St Andrews,Straceclyde和Heriot-Watt大學(xué))做得比較出名。
蘇格蘭三校中,St Andrews大學(xué)Wilson Sibbett教授課題組里有一個(gè)博士生,叫David Spence,他利用分束鏡將部分光耦合進(jìn)一根光纖,再用一個(gè)反射鏡將光纖輸出的光返回到腔內(nèi),這樣他就做出了鈦寶石激光器的鎖模。
但是有一天,他發(fā)現(xiàn),雖然鎖模成功了,實(shí)際上他并沒(méi)有把光纖輸出的光返回到腔內(nèi),或者說(shuō)那個(gè)反射光并沒(méi)有被耦合好。這是怎么回事呢?他索性把光纖拿走,輕輕一碰這個(gè)腔,結(jié)果也鎖模了。這個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)讓他興奮不已。趕緊發(fā)論文!一下子轟動(dòng)了整個(gè)光學(xué)屆,引來(lái)了無(wú)數(shù)跟隨者。
這就是所謂的“克爾透鏡鎖模”,即強(qiáng)脈沖導(dǎo)致的自聚焦效應(yīng),被所謂的軟光闌選出。David沒(méi)有意識(shí)到的這個(gè)效應(yīng),卻被相干公司發(fā)現(xiàn)并加以開(kāi)發(fā)了。他們利用自聚焦效應(yīng),在輸出鏡前加了一個(gè)可變光闌,腔內(nèi)用一個(gè)蝶形擾動(dòng)器,來(lái)擾動(dòng)光束,產(chǎn)生一些隨機(jī)的尖峰脈沖。手動(dòng)調(diào)節(jié)不斷縮小光闌,就會(huì)在某一個(gè)時(shí)刻,發(fā)現(xiàn)激光器工作轉(zhuǎn)換成脈沖模式。此時(shí),蝶形擾動(dòng)器就停止了。這樣就解決了飛秒激光的啟動(dòng)問(wèn)題。相干公司為此申請(qǐng)了專(zhuān)利,這也成為他們獨(dú)霸市場(chǎng)的一把“利器”。
David雖然發(fā)現(xiàn)了“自鎖模”,但是所有的榮譽(yù)都奔向了他的導(dǎo)師Sibbett。而導(dǎo)師也心安理得地享受著那些天上掉下來(lái)的榮譽(yù)。David一怒之下,告別了飛秒這個(gè)令他傷心的圈子,去了加拿大的某公司,再也沒(méi)有回頭。
2
開(kāi)始熱鬧的飛秒圈
從那時(shí)起,各路學(xué)者紛紛涌入該領(lǐng)域,一時(shí)間,大佬云集,群星璀璨。比如華盛頓州立大學(xué)的Henry Kapteyn和Margret Murnane夫婦,維也納工業(yè)大學(xué)的Ferenc Krausz、Martin Fermann、Evgeni Sorokin和Irina Sorokina夫婦,荷蘭格羅寧根大學(xué)的Wiersma組中的立陶宛人Anderius Baltuska等。
密西根大學(xué)(University of Michigan,簡(jiǎn)稱(chēng)UMich,當(dāng)?shù)刂袊?guó)留學(xué)生稱(chēng)之為優(yōu)密)在安娜堡市。安娜堡有個(gè)美稱(chēng)叫“Femto Valley”,寓意飛(秒)谷,因?yàn)檫@里有從優(yōu)密spin-off出來(lái)的好幾個(gè)飛秒公司。優(yōu)密里有一大咖,就是 Gérard Mourou先生。Mourou先生本是法國(guó)人,后來(lái)到羅徹斯特大學(xué)擔(dān)任教授。在那里,他和他的博士生Donna Strickland一起把雷達(dá)里的啁啾放大技術(shù)用在光脈沖的放大上。不過(guò)那個(gè)時(shí)候的飛秒光脈沖還是染料激光器產(chǎn)生的。直到鈦寶石激光器日趨成熟,Mourou先生才有了用武之地。
1990年,他和美國(guó)政府簽了10年合約,在優(yōu)密建立了一個(gè)超快科學(xué)中心(CUOS)。引來(lái)很多科學(xué)家慕名加盟。比如Henry Kapteyn和Margret Murnane、Jeff Squier,還有大家熟悉的中國(guó)的常增虎博士。當(dāng)然還有很多不為人熟知的人物,比如Mourou先生從羅徹斯特大學(xué)帶來(lái)的Philippe Bado、Martin Fermann、Don Harter等人。這些人最后都創(chuàng)建了公司,所以安娜堡一下子冒出來(lái)五六個(gè)和飛秒有關(guān)的公司:IMRA America、Clark-MXR、Intralase、Picometrix、Translume等,使得“飛谷”之名實(shí)至名歸。其中大名鼎鼎的Intralase(就是用飛秒激光做近視眼手術(shù)的那個(gè)公司)后來(lái)八億美刀被Abbott(雅培)公司收購(gòu),羨煞無(wú)數(shù)飛秒夢(mèng)中人。比如在IMRA公司的Fermann也辭職跑去波士頓創(chuàng)辦了一間叫Boston Lasers的公司。由于沒(méi)有商業(yè)頭腦,F(xiàn)erman和他的合作者沒(méi)有獲得商業(yè)上的成功,只好又回到了老東家IMRA公司。而IMRA公司的老板大光敬史卻也不計(jì)前嫌,歡迎Ferman回歸,仍把他作為人才重用。
華盛頓州立大學(xué)異軍突起,Henry Kapteyn和Margret Murnane夫婦不斷創(chuàng)出新的脈寬記錄,他們先憑一條強(qiáng)度相關(guān)圖,就自稱(chēng)創(chuàng)造了11 fs脈沖最短的“世界紀(jì)錄”,曾引起業(yè)內(nèi)不小的爭(zhēng)議。他們不理爭(zhēng)論,以低色散加上低溫制冷,做出10 W以上的輸出功率。不過(guò)后來(lái)他們?cè)诟叽沃C波上的成績(jī)還真不能小看。自從在密西根大學(xué)和Mourou先生鬧掰了,跑到科羅拉多大學(xué)自立門(mén)戶(hù),他們成為了Nature、Science上發(fā)表高次諧波方向論文的高量產(chǎn)者,迅速成為超快界的大咖級(jí)人物。
維也納工業(yè)大學(xué)的校長(zhǎng)Smith眼光獨(dú)到,大力支持本校開(kāi)展飛秒激光器研究,把剛從布達(dá)佩斯畢業(yè)的Ferenc Krausz招來(lái)做博士后。Krausz用匈牙利物理所的膜系設(shè)計(jì)和鍍制技術(shù),開(kāi)發(fā)了所謂啁啾鏡,一下子把脈沖寬度降低到5 fs左右。Krausz立刻成為耀眼的明星。
還有正在格羅寧根大學(xué)做博士后的Baltuska,先是用腔倒空的脈沖用光纖擴(kuò)譜,再壓縮,把脈沖壓縮到5 fs。后來(lái)他離開(kāi)了荷蘭,到東京大學(xué)加入小林孝嘉組做博士后,把參量放大的脈沖也壓縮到了5 fs,而且搞清楚了參量放大中的相位關(guān)系。現(xiàn)在,Baltuska是維也納工業(yè)大學(xué)的教授,也是一位名人。
這里,自然不得不提超短脈沖的元老,當(dāng)屬麻省理工學(xué)院(MIT)Hermann Haus和Erich Ippen。Haus理論功底十分扎實(shí),他建立了激光鎖模的主方程理論,解釋了Kerr lens鎖模,還創(chuàng)立了激光器噪聲理論。而Erich在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了飛秒光纖激光器,奠定了飛秒光纖激光器的基礎(chǔ)。Haus先生把自己的主方程理論運(yùn)用到了極致,從二階色散做到三階色散,而后再?zèng)]看到更高階的色散應(yīng)用。維也納工業(yè)大學(xué)的學(xué)者們繼續(xù)了他的工作。Haus先生去世兩年前的2001年,他把自己的博士后弟子Franz Kaertner從德國(guó)的卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué)招了回來(lái),接替他的工作,希望MIT依然能保持三人組,繼續(xù)領(lǐng)先全球。Kaertner先用自己的“雙啁啾鏡”技術(shù)在MIT立足,后來(lái)又?jǐn)U展到從飛秒激光中提取精密微波信號(hào)和經(jīng)過(guò)光纖的時(shí)間頻率傳遞技術(shù),還和哈佛大學(xué)合作,用飛秒激光作為頻率標(biāo)準(zhǔn),定標(biāo)天文光譜儀,尋找太陽(yáng)系外類(lèi)地行星。后來(lái)Kaertner發(fā)現(xiàn),在美國(guó)申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)似乎沒(méi)有想象中的那樣順利,要養(yǎng)一大堆學(xué)生和博士后也真是挺難的。2010年,他又回到德國(guó)漢堡,加入了德國(guó)同步輻射加速器中心(DESY)。在MIT呢,就變成了Adjunct Professor(兼職教授)。在MIT多好,干嘛要回德國(guó)呢?許多人不解。Ippen教授道出了其中的秘密:“德國(guó)答應(yīng)他20年的科研經(jīng)費(fèi)不用發(fā)愁,我們美國(guó)做不到哇!”
康奈爾大學(xué)的Frank Wise組,也是飛秒光纖激光器不能忽略的一支隊(duì)伍。Wise 剛留校的時(shí)候,經(jīng)費(fèi)不多,先從公司的研發(fā)經(jīng)費(fèi)中支取一部分從事鈦寶石激光器研究。后來(lái)他看準(zhǔn)飛秒光纖激光器的廣闊前景,果斷進(jìn)入。他的幾位學(xué)生:土耳其人OmerIlday、韓裔美國(guó)人Andi Chong和Wil Renninger成了他的得力幫手。這幾位學(xué)生理論非常強(qiáng),建立了從自相似(self-similar)鎖模,到全正色散(andi)鎖模、再到放大相似子(amplifier self-similariton)鎖模和放大。做飛秒光纖激光器的,誰(shuí)沒(méi)用過(guò)這些技術(shù)?
3
單周期和阿秒脈沖進(jìn)入人們的視野
維也納工業(yè)大學(xué)的科研人員們一方面完善了鎖模理論,一方面發(fā)明了“啁啾鏡”,將脈沖快速降低至5 fs以下。隨著脈沖的縮短,單周期脈沖進(jìn)入人們的視野。對(duì)應(yīng)800 nm波長(zhǎng),單周期就是2.7 fs,因此小于5 fs都可以認(rèn)為少于兩個(gè)周期,即單周期脈沖。而在單周期脈沖中,包絡(luò)線(xiàn)下對(duì)應(yīng)載波的是波峰還是波谷,對(duì)于激光等離子體和高次諧波產(chǎn)生就變得非常重要。Krausz是物理出身,做個(gè)啁啾鏡壓縮個(gè)脈沖,對(duì)他而言,小菜一碟。他們很快用這種激光器和他們自己研發(fā)的放大器,以及脈沖相位控制技術(shù),發(fā)現(xiàn)了孤立阿秒產(chǎn)生的秘密。燕雀安知鴻鵠之志??!維也納工業(yè)大學(xué)這座小廟就容不下他了。2003年,他便去了德國(guó),當(dāng)上了Max Planck量子光學(xué)研究所的主任。背后支持他的,還有一位大佬,就是加拿大科學(xué)院NRC的Paul Corkum。Paul在激光等離子體上的貢獻(xiàn)可不一般。最著名的當(dāng)屬他于1992年發(fā)明的公式:原子氣體激光電離產(chǎn)生的高次諧波的最大光子能量=氣體原子電離勢(shì)+3.17倍的有質(zhì)動(dòng)力勢(shì),奠定了阿秒脈沖產(chǎn)生的基礎(chǔ),得諾貝爾獎(jiǎng)的呼聲很高。老先生前些年退休了,在渥太華大學(xué)擔(dān)任教授。他全力支持Krausz從事阿秒激光研究。
1994年初,業(yè)界突然竄出一匹dark horse。這匹dark horse就是Ursula Keller。她的一篇“Ultrafast all-solid-state laser technology”的邀請(qǐng)論文震驚了業(yè)界:這人誰(shuí)呀,儼然就是飛秒固體激光器的大牛??!Keller本科就讀于愛(ài)因斯坦的母校——瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué),是出了名的女學(xué)霸,GPA 6.0。后斯坦福留學(xué)獲博士學(xué)位,在貝爾研究所工作了4年之久。1993年成了海歸,回到母校瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué),1997年就成為正教授。她在貝爾研究所研究期間,發(fā)明了半導(dǎo)體可飽和吸收鏡,那時(shí)還叫“anti-resonant Fabry-Perot saturable absorber”。直到1995年,她才正式稱(chēng)這種半導(dǎo)體器件為SESAM。
但是,和她在貝爾研究所一起共事過(guò)的Wayne Knox堅(jiān)稱(chēng)自己此前的叫法:SBR(saturable Bragg reflector)。1996年的Ultrafast Phenomena會(huì)上,兩人還因?yàn)榻蟹ú煌跁?huì)議上起了爭(zhēng)執(zhí)。
這次沖突也讓大家領(lǐng)教了Keller大姐的強(qiáng)悍。2005年光頻梳的諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給了Theodor W. Haensch,這讓Keller深感委屈。她認(rèn)為早在1997年她就推導(dǎo)出來(lái)了初始頻率和載波包絡(luò)相位的公式,還有論文為證。而大家都在使用的初始頻率“fceo”也是由她命名的。2015年,美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)決定將湯斯獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給她,而獲獎(jiǎng)理由就是發(fā)明了fceo的測(cè)量方法。頒獎(jiǎng)大會(huì)上,她感慨萬(wàn)分,感謝評(píng)委終于承認(rèn)了她的貢獻(xiàn)。她終于名正言順、揚(yáng)眉吐氣了。
Keller教授回國(guó)后,以在貝爾研究所做出的SESAM為利器,在超短脈沖激光器領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。固體激光器的克爾透鏡鎖模要調(diào)到諧振腔的穩(wěn)區(qū)邊緣,導(dǎo)致鎖模不穩(wěn)定。為了將鎖模和脈沖成型過(guò)程分開(kāi),就得換個(gè)鎖模方式,這樣,就得用SESAM。20年間,盡管不斷有新的可飽和吸收體推出,什么碳納米管、石墨烯、二維材料,Keller教授一概無(wú)視,堅(jiān)持在SESAM上創(chuàng)新。2011年以來(lái)的新進(jìn)展就是發(fā)現(xiàn)了SESAM破壞閾值低的真實(shí)原因,做出了高破壞閾值的SESAM,破壞閾值達(dá)到100 mJ/cm2。用這種SESAM做出的激光器,輸出的平均功率可達(dá)數(shù)百瓦,并且SESAM 不會(huì)被打壞。
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飛秒激光技術(shù)的商業(yè)化
國(guó)際上飛秒激光器的廠(chǎng)家很多,最著名的當(dāng)屬相干公司和光譜物理(現(xiàn)為MKS集團(tuán)旗下)這兩個(gè)老牌兒公司。它們都是20世紀(jì)60年代隨著激光器的誕生而成立的公司。遵循著差異化競(jìng)爭(zhēng)的原則,其他公司開(kāi)始了上述兩家公司并未涉足的光纖激光器和工業(yè)應(yīng)用來(lái)拓展市場(chǎng),比如瑞士的Onefive公司、美國(guó)的Calmar公司。但是,真正把飛秒激光器公司做大、可與美國(guó)上述兩大公司抗衡的,只有德國(guó)的Trumpf公司。不過(guò)這個(gè)公司在中國(guó)不叫“特朗普”,而叫“通快”。通快公司主攻激光加工用的激光器,最近幾年其超短脈沖碟片激光器做得非常好,一下子打開(kāi)了中國(guó)市場(chǎng)。
光纖激光器若想功率高至幾十瓦或者上百瓦,普通光纖就無(wú)法滿(mǎn)足它的需求了。細(xì)了,就出非線(xiàn)性;粗了,就出多模。這時(shí)候就需要用一種大模場(chǎng)面積光纖——光子晶體光纖。這種光纖可以做到100μm的芯徑,不出多模。光纖激光器的原材料供應(yīng)商中,本來(lái)有CorActive和Nufern。可是,能做摻雜光子晶體光纖的公司只有一個(gè),即丹麥的NKT公司??墒沁@個(gè)丹麥公司,突然有一天宣布,不“單賣(mài)”了。他們決定不(批量)單賣(mài)光子晶體光纖放大模塊了。因?yàn)樗麄兪召?gòu)了做種子激光器的Onefive公司,自己有了種子源,可直接提供從激光器種子源到放大器一條龍服務(wù)。你瞧這點(diǎn)兒趕的,跟美國(guó)對(duì)中興禁運(yùn)差不多同時(shí)。NKT的下游企業(yè),尤其是下游的幾家公司立馬懵圈:買(mǎi)不到光纖放大模塊,如何進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)?這么一鬧,下游有的飛秒激光器公司就現(xiàn)了原形:原來(lái)都是攢(cuán,組裝)激光器啊?,F(xiàn)在知道飛秒光纖激光器的核心技術(shù)是什么了吧,就是大模場(chǎng)面積光子晶體增益光纖。當(dāng)然還有抽運(yùn)用的大功率半導(dǎo)體激光器,咱們一時(shí)半會(huì)也造不出來(lái)。
除了那些專(zhuān)業(yè)公司,搞出點(diǎn)名堂的教授也都創(chuàng)建了公司:Krausz的Femto Lasers和他到德國(guó)后開(kāi)的Ultrafast Innovations,Kaertner的Cycle,因光頻梳獲諾獎(jiǎng)的Haensch的Menlo Systems。還有不少是“夫妻店”。Keller二十年前就和丈夫Kurt Weingarten創(chuàng)建了Time-Bandwidth Product公司。Kurt本來(lái)就在美國(guó)Lightwave Technology公司工作。辭職回瑞士創(chuàng)辦公司對(duì)他來(lái)說(shuō)不算什么。過(guò)了一段時(shí)間,他們又開(kāi)了Giga-tera公司,而后該公司被別的公司收購(gòu)了。Keller在學(xué)術(shù)上叱咤風(fēng)云,辦公司可不是太在行。本來(lái)想讓自己的第一個(gè)大弟子Daniel Kopf 幫她丈夫操持Time-Bandwidth Product公司。沒(méi)想到他做了沒(méi)多久便跳槽到奧地利,后來(lái)還開(kāi)了自己的公司——HighQ laser,也用SESAM鎖模,而且比Time-Bandwidth公司的同類(lèi)產(chǎn)品更受市場(chǎng)歡迎,引起了Keller極大不滿(mǎn),暗罵這只白眼狼。
除了Keller和Weingarten,夫妻合伙開(kāi)公司的還有Henry和Margret的KM Labs公司、Irina 和Evgeni Sorokin的AtlaLasers公司。湊巧的是,這些伉儷都是女的比男的有名。KM Labs以銷(xiāo)售高功率飛秒鈦寶石激光器為主,而AtlaLasers則銷(xiāo)售2-4 μm波長(zhǎng)的飛秒激光器。他們是如何身兼教學(xué)、科研和市場(chǎng)化三不誤的呢?究其根本,他們都是讓自己的畢業(yè)生打理公司,利用自己在學(xué)術(shù)屆的強(qiáng)大影響力,把這些學(xué)生培養(yǎng)成了亦商亦學(xué)、“做買(mǎi)賣(mài)不忘發(fā)論文”的人。他們同時(shí)擔(dān)任著各種學(xué)術(shù)兼職,像Sterling Buckus這樣的人,照樣在學(xué)術(shù)界呼風(fēng)喚雨。這樣就保證他們隨時(shí)可轉(zhuǎn)到學(xué)術(shù)單位。
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未來(lái)發(fā)展方向如何?
飛秒激光技術(shù)的發(fā)展方向是什么呢?
Krausz說(shuō),是高功率高重復(fù)頻率飛秒激光器。脈寬可以做到5 fs以下,脈沖能量達(dá)到焦耳量級(jí),平均功率數(shù)千瓦。至于怎么達(dá)到,Krausz推崇光參量啁啾脈沖放大(OPCPA),而法國(guó)巴黎高工、德國(guó)耶拿大學(xué)、美國(guó)密西根大學(xué)等則主張光纖激光器的相干合成。
最近康奈爾大學(xué)的Wise發(fā)表了一篇論文“飛秒光纖激光器發(fā)展的若干方向”。他們提出三種高能量超短脈沖的生成機(jī)制:一個(gè)是Mamyshev鎖模(腔內(nèi)雙濾波器)高功率飛秒光纖激光器,期望取代飛秒鈦寶石激光器;另一種是不用鎖模的孤子脈沖產(chǎn)生和事后壓縮;最后一種是多模光纖中的超短脈沖產(chǎn)生,利用Kerr非線(xiàn)性將多模光纖中的多橫模脈沖“清洗”干凈。
應(yīng)用方面也在大規(guī)模展開(kāi)。標(biāo)榜工業(yè)4.0的德國(guó),21世紀(jì)初就建立了以高功率激光器和激光加工技術(shù)為主的總額8億歐元的框架協(xié)議“Photonik Forschung Deutschland(2002年~2011年)”,后續(xù)的項(xiàng)目是“Agenda Photonik 2020”。美國(guó)雖然沒(méi)有大型國(guó)家項(xiàng)目明確支持激光加工,但以IPG和相干公司為代表的企業(yè)一直在推進(jìn)激光加工事業(yè),包括飛秒、皮秒的激光加工,并開(kāi)發(fā)在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方面的應(yīng)用。
日本21世紀(jì)初以來(lái)沒(méi)有推出過(guò)和激光有關(guān)的大型項(xiàng)目。但是最近幾年,日本意識(shí)到高功率激光器市場(chǎng)大部分被國(guó)外占領(lǐng),而日本高功率激光器研究不僅落后于歐洲,也有被世界工廠(chǎng)之稱(chēng)的中國(guó)超過(guò)的危險(xiǎn)。于是,他們連續(xù)推出了ERATO、IMPACT和高亮度、高效率次世代激光技術(shù)開(kāi)發(fā)等激光技術(shù)主題的大型項(xiàng)目,并且都和飛秒激光技術(shù)應(yīng)用相關(guān),其中后一個(gè)項(xiàng)目著重飛秒激光器在工業(yè)微加工上的應(yīng)用。
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