參加過CLEO這樣的國(guó)際“頂級(jí)”光學(xué)會(huì)議的人都知道，和飛秒激光相關(guān)的分會(huì)場(chǎng)太多了。新型飛秒激光器、強(qiáng)場(chǎng)物理、飛秒光頻梳、飛秒時(shí)間頻率、飛秒激光測(cè)距、飛秒生物顯微成像、飛秒激光加工，飛秒太赫茲波……嚯，這么說吧，你要是沒聽說過飛秒，你都不好意思在會(huì)場(chǎng)上跟人打招呼！

 

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)為客戶安裝激光器，而是把需要的所有光學(xué)零件都包裝起來，寄給客戶，順便附送一盒錄像帶，讓客戶照著安裝。裝不好再派人，那就得另付錢。

 

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。后來又出來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)際上他并沒有把光纖輸出的光返回到腔內(nèi)，或者說那個(gè)反射光并沒有被耦合好。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，引來了無數(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)問題。相干公司為此申請(qǐng)了專利，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，再也沒有回頭。

 

2

開始熱鬧的飛秒圈

 

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UMich，當(dāng)?shù)刂袊?guó)留學(xué)生稱之為優(yōu)密）在安娜堡市。安娜堡有個(gè)美稱叫“Femto Valley”，寓意飛（秒）谷，因?yàn)檫@里有從優(yōu)密spin-off出來的好幾個(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）后來八億美刀被Abbott（雅培）公司收購(gòu)，羨煞無數(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。由于沒有商業(yè)頭腦，F(xiàn)erman和他的合作者沒有獲得商業(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。不過后來他們?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)自立門戶，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，大力支持本校開展飛秒激光器研究，把剛從布達(dá)佩斯畢業(yè)的Ferenc Krausz招來做博士后。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。后來他離開了荷蘭，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?，F(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，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，后來又?jǐn)U展到從飛秒激光中提取精密微波信號(hào)和經(jīng)過光纖的時(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)系外類地行星。后來Kaertner發(fā)現(xiàn)，在美國(guó)申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)似乎沒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)沒用過這些技術(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?。【S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的Wayne Knox堅(jiān)稱自己此前的叫法：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程分開，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教授一概無視，堅(jiān)持在SESAM上創(chuàng)新。2011年以來的新進(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。

 

4

飛秒激光技術(shù)的商業(yè)化

 

國(guó)際上飛秒激光器的廠家很多，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，普通光纖就無法滿足它的需求了。細(xì)了，就出非線性；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，本來有CorActive和Nufern?？墒牵茏鰮诫s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”了。他們決定不（批量）單賣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。

 

除了那些專業(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)他來說不算什么。過了一段時(shí)間，他們又開了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。沒想到他做了沒多久便跳槽到奧地利，后來還開了自己的公司——HighQ laser，也用SESAM鎖模，而且比Time-Bandwidth公司的同類產(chǎn)品更受市場(chǎng)歡迎，引起了Keller極大不滿，暗罵這只白眼狼。

 

除了Keller和Weingarten，夫妻合伙開公司的還有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以銷售高功率飛秒鈦寶石激光器為主，而AtlaLasers則銷售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)、“做買賣不忘發(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。

 

5

未來發(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，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。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)初以來沒有推出過和激光有關(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，也有被世界工廠之稱的中國(guó)超過的危險(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。