自20世紀(jì)60年代中后期激光鎖模技術(shù)發(fā)明以來，人們就可以從激光器中獲得皮秒（10-12s）及飛秒（10-15s）量級(jí)脈沖輸出。從此激光脈沖進(jìn)入了超短脈沖的時(shí)代。這兩者有很多的共性，但又有不少差異。

對(duì)增益介質(zhì)的要求不同

根據(jù)傅里葉變換，對(duì)于一個(gè)1 ps的1064 nm中心波長的激光脈沖，其光譜寬度只有1.5 nm。幾十皮秒的激光器的光譜寬度更窄，以至于都無法用分辨率相對(duì)較低的光譜儀準(zhǔn)確測(cè)量出光譜寬度,如圖1。而對(duì)于飛秒激光器，以100 fs的1030 nm激光為例，其光譜寬度就達(dá)到了15 nm左右，超出了很多增益介質(zhì)的能力，如圖2。能支持30 fs以下脈沖寬度的激光介質(zhì)則更加少見。

圖1 皮秒脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間和光譜寬度

圖2 飛秒激光脈沖時(shí)間寬度（自相關(guān)曲線）及其對(duì)應(yīng)的光譜寬度

皮秒激光和飛秒激光都能通過激光鎖模的方式獲得

對(duì)于飛秒脈沖來說，鎖模幾乎是唯一的實(shí)現(xiàn)手段，但對(duì)于皮秒脈沖，特別是10 ps量級(jí)的脈沖，可以通過增益開關(guān)技術(shù)直接從半導(dǎo)體激光器中獲得。因此，相對(duì)來說皮秒激光器成本可以更低。由于飛秒脈沖太短，即使只有微焦量級(jí)的脈沖能量，脈沖的峰值功率也可以達(dá)到幾十兆瓦（MW）量級(jí)，因而在傳輸過程中有非常大的非線性效應(yīng)，要么破壞光學(xué)元器件，要么脈沖本身的特性受到影響。所以，飛秒激光更難獲得高平均功率和高脈沖能量。高平均功率和高脈沖能量的飛秒激光脈沖需要采用啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較低，成本較高，如圖3所示。

圖3 為獲得高脈沖能量和極高峰值功率的飛秒脈沖啁啾放大示意圖

皮秒激光和飛秒激光同物質(zhì)相互作用的優(yōu)劣稍有不同

根據(jù)漢諾威大學(xué)Chichkov等提出的雙溫模型，金屬中電子與晶格的作用時(shí)間基本在若干ps量級(jí)。因此，若干皮秒至飛秒量級(jí)的激光脈沖都可以實(shí)現(xiàn)金屬材料的“冷加工”，即晶格的溫度一直保持比較低，不會(huì)出現(xiàn)熔融狀態(tài)的“熱區(qū)”，激光照射的區(qū)域內(nèi)物質(zhì)直接通過氣化的形式脫離出去，形成很整潔和精密的加工形貌。皮秒脈沖相對(duì)來說更容易做到具有較高的脈沖能量，因此若干皮秒量級(jí)的脈沖激光器是金屬精密加工的首選。

超短脈沖激光與透明介質(zhì)相互作用時(shí)多光子電離等非線性效應(yīng)占主導(dǎo)地位。飛秒激光更容易達(dá)到非線性閾值，對(duì)材料的吸收特性適應(yīng)性更廣，不需要頻率轉(zhuǎn)換到較短的藍(lán)光甚至紫外波長。因此在透明介質(zhì)加工（打標(biāo)、鉆孔、切割等）以及波導(dǎo)刻寫等場(chǎng)合飛秒量級(jí)的脈沖激光器更具有優(yōu)勢(shì)。此外，在超分辨率加工方面，飛秒激光以其極高的峰值功率和較低的平均功率，在與光子硬化透明材料相互作用時(shí)，可以通過多光子吸收過程得到納米量級(jí)分辨率的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，且不至于由于過多的能量而破壞有機(jī)聚合物。表1為幾種常見材料的加工與對(duì)應(yīng)的超短脈沖激光的選擇。

表1 幾種常見材料的加工與對(duì)應(yīng)的超短脈沖激光的選擇

飛秒脈沖比皮秒脈沖在泵浦探測(cè)以及基于脈沖飛行時(shí)間的距離測(cè)量等方面的分辨率更高

飛秒激光脈沖的光譜寬度更寬，通過光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)光譜時(shí)光譜的相干性更高，通過精密的脈沖包絡(luò)以及載波-包絡(luò)相位控制技術(shù)，可以獲得超高精度的激光頻率梳，在精密光學(xué)計(jì)量、精密光譜測(cè)量以及精密絕對(duì)距離測(cè)量等方面正展現(xiàn)出前所未有的影響力。圖4為雙光梳精密光譜測(cè)量示意圖。

圖4 雙光梳精密光譜測(cè)量示意圖。此方案利用了雙光梳快速互掃描（微秒量級(jí)）和極高的頻率分辨率，正成為精密光譜（和測(cè)距）領(lǐng)域的研究及應(yīng)用前沿

總之，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，特別是光纖及半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展，高可靠性、較低成本的超短脈沖激光正在越來越廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。


審核編輯：湯梓紅