作者：何鵬 武漢華族激光技術(shù)有限公司、西北工業(yè)大學(xué)東莞市三航軍民融合創(chuàng)新研究院

（本是個科普貼，承蒙光電匯抬愛，發(fā)出來與光電學(xué)子、同行及專家共同探討。如有疏漏，懇請指正。）

入門的時候，老師講激光的特性，都是說：單色性好、相干性好、方向性好、亮度高，但這僅限于入門。這是為了讓你對激光有一個大概的認(rèn)知，讓你對激光和自然光的特性有所區(qū)別。

隨著學(xué)習(xí)、認(rèn)識的加深，這些先入為主的特性描述就不再準(zhǔn)確了。

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單色性好，未必。

以我從事的飛秒激光來舉例。飛秒種子一定是多縱模振蕩，波長動輒覆蓋幾納米到幾百個納米，妥妥的復(fù)色光，單色性在哪？

中科院物理研究所L07魏志義老師組張青師姐做的倍頻程鈦寶石振蕩器光譜[1]（覆蓋600-1250 nm超寬范圍）：

圖1. 倍頻程摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光振蕩器光譜

L07組，劉陽陽博士與我合作的薄片超連續(xù)產(chǎn)生光頻譜[2]：

圖2. 熔融石英薄片組產(chǎn)生的白光超連續(xù)，每加一片的展寬效果

華南理工大學(xué)李志遠(yuǎn)教授光子晶體的飛秒白光產(chǎn)生照片：

圖3. CPPLN級聯(lián)高次諧波與自相位調(diào)制的共同作用下產(chǎn)生的白激光

物理所L07組何會軍博士與L01組胡晨陽博士合作的光子晶體高次諧波[3]，覆蓋400-2400 nm的超寬帶：

圖4.中紅外飛秒激光在MgO:CPPLN晶體產(chǎn)生超寬帶激光的輸出光譜

這些林林總總的超寬帶飛秒激光產(chǎn)生裝置，輸出波長從紫外到紅外應(yīng)有盡有，這比一些LED還寬了，但它是激光嗎？是。

2

相干性好？以教材的相干性定義，未必。

原因和前面一樣，單色性越好，相干長度Lc越大，相干性就越好。如果不單色呢？

調(diào)過干涉自相關(guān)儀測亞十飛秒脈寬的，都體會過要找干涉條紋多痛苦。掃Delay的時候，干涉條紋常常一閃即逝，因?yàn)橄喔砷L度太短了，5 fs脈沖對應(yīng)1.5 μm空間長度，手一摸就變，太酸爽了。相對而言，測放大的脈寬TG-FROG好調(diào)一點(diǎn)。如下是物理所L07組詹敏杰師兄搭建的TG-FROG與實(shí)驗(yàn)照片[4]：

圖5. (左)TG-FROG結(jié)構(gòu)圖與（右）瞬態(tài)光柵產(chǎn)生光斑照片，由蘇亞北博士提供

但是相干長度短，飛秒激光就不相干了嗎？不是。零色散下飛秒激光傳播幾十公里各光譜成分依然可以保持很好的相位一致，甚至載波包絡(luò)相位都可以控制，不然空間光梳還怎么玩？只能說狹義的描述單色光的相干長度、相干時間不足以約定飛秒激光的傳播特性。國際激光巨頭美國相干公司Coherent，和我老東家光譜物理公司一樣，是最大的科研飛秒激光器廠商之一，如果飛秒都不Coherent了，這不是砸自己招牌嗎？

3

方向性好？不好說

我們知道有個專門的指標(biāo)M2因子來描述激光的光束質(zhì)量，對于光束質(zhì)量好的M2可以做到略大于1，接近衍射極限，比如我們武漢華族激光有限公司[5]何會軍博士開發(fā)的Yb全固態(tài)飛秒再生放大器的M2：

圖6. 武漢華族激光Archer系列毫焦級Yb飛秒放大器輸出光斑

基本可以保證1.1以內(nèi)的品質(zhì)因子，這就意味著同樣焦距可以聚焦更小，同樣束腰直徑可以發(fā)散更小。

而對于毫焦量級脈沖抽運(yùn)的鈦寶石再生放大而言，當(dāng)沒有種子注入的時候，普克爾盒不加電旋至透明狀態(tài)，微調(diào)1/4波片，再生腔也可以出光，俗稱free-running，出的是ASE，也就是自發(fā)輻射的光放大。其光譜非常寬，和鈦寶石鎖模飛秒種子源差不多，中心波長在780 nm左右。我第一次調(diào)還以為是鎖模了，后來才知道是ASE，它介于激光和熒光之間，粗略說具備空間相干性，不具備時間相干性[6]。但凡看過激光原理的知道，自發(fā)輻射時間上是非相干的，各光子相位是完全亂掉的。然而對于free-running時產(chǎn)生的自激振蕩ASE，空間上的相干性是非常好的，M2不輸種子注入后，有時甚至更好，但ASE不是激光。

另外，像氮分子激光器實(shí)際上也是ASE，只是它增益很強(qiáng)，連諧振腔也不需要。我做鈦寶石多通放大的時候也遇到過類似情形，本來以為放大了，結(jié)果擋住種子，功率一樣的高。多通屬于行波放大，類似光纖直接行波放大一樣，不構(gòu)成諧振腔，但是當(dāng)增益很強(qiáng)的時候會導(dǎo)致自發(fā)輻射放大：

圖7. 脈沖抽運(yùn)鈦寶石多通放大器的自發(fā)輻射放大

是不是光斑除了有點(diǎn)切邊還可以呢？有時正著出光，有時反著出，像《國產(chǎn)凌凌漆》電影里的古靈精怪槍，有次反著出光把我展寬器光柵打壞了！

圖8. 我這支槍叫古靈精怪槍，向后射完向前射，你用之前不問我下。

那么對于多模半導(dǎo)體模塊或者Bar條整形耦合的激光呢？M2有的可以高達(dá)幾十或上百，是激光嗎？是。

可能大家對鈦寶石free-running或氮分子激光不熟悉，那再舉個更耳熟能詳?shù)睦?，EUV光刻采用高功率CO2激光聚焦在30 μm的錫液滴上，通過激光誘導(dǎo)等離子體激發(fā)13.5 nm極紫外輻射，EUV波長短，粒子性夠強(qiáng)，方向性夠好了吧？（不好也做不了光刻呀）但它是非相干的，也不是激光。

圖9. ASML公司EUV光刻機(jī)模型圖

4

亮度高？

這個就不值一駁了，脫離數(shù)字比較特性都是耍流氓。路上十塊錢買的532 nm綠光激光筆，功率也就幾毫瓦，和上千瓦的氙燈比功率、比流明被秒的渣都不剩，于是你又舉出幾萬瓦的光纖激光器或自由電子激光器，他又搬出太陽和中子星X/伽馬射線暴，報復(fù)升級，沒完沒了……

圖10. 這張好像是Quasar

講到這里，單色性好、相干性好、方向性好、亮度高都不成立了，那激光的本質(zhì)特性是啥？

OK，這也是我在進(jìn)行研究生復(fù)試時，導(dǎo)師反問我的問題。

特別驚訝給我的壓軸題居然是送分題，照本宣科背了三好一高，還補(bǔ)充了一個偏振性，被老師進(jìn)行了以下教育：

你的總分和專業(yè)課都排第一，我本以為你會有獨(dú)立見解，但很失望。研究生對學(xué)生的要求和高中大學(xué)不一樣，你要獨(dú)立承擔(dān)科研任務(wù)了，學(xué)習(xí)書本是一方面，但切記：盡信書，不如無書。要結(jié)合你的研究，批判性地消化所學(xué)的知識。沒有獨(dú)立思考、對權(quán)威的反思，否定之否定，就談不上科學(xué)的進(jìn)步。

他講解了三好一高為什么失之片面后，我問：那，激光的本質(zhì)特性是什么？

老師的回答是：只有一個，相位差恒定。

這位老師就是楊志勇教授，師從侯洵院士、侯伯宇教授，量子光學(xué)家，和我的博士導(dǎo)師魏志義教授同門。后來我在學(xué)習(xí)量子光學(xué)課程中一度受到楊教授一對一指點(diǎn)，受益匪淺，感謝從事科研一路以來得到各位恩師的教導(dǎo)。

隨著認(rèn)識的加深，我體會到其實(shí)這個限制也未必成立，比如CPA（啁啾脈沖放大）技術(shù)中，通過色散元件將脈沖展寬，各光譜成分的相位得到極大改變。早前有個不太準(zhǔn)確的詞叫解相干，然后再通過符號相反的色散將放大的光在時域上壓縮回來。激光還是激光，相位差卻像個橡皮泥一樣，隨你捏，只要能在某時某地捏回來，它還是相干，還具備激光特性。相位控制方面我相信研究時空聚焦、飛秒瞬態(tài)光譜成像的同行們更專業(yè)。然而這不代表對老師的否定，相反，有了這一層認(rèn)識才對得起老師的指導(dǎo)。

圖11.飛秒激光時空聚焦原理光路圖[7]

正如同不歸類于受激輻射產(chǎn)生原理的拉曼激光器，采用量子干涉效應(yīng)使吸收相消的無粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光器，不采用光學(xué)開腔的、可無閾值運(yùn)轉(zhuǎn)的微腔激光器，各種各樣的新原理新技術(shù)，不斷刷新著我們對激光的認(rèn)識。

那么，什么是激光？激光的本質(zhì)和特性是什么？

我這里不做回答。相信隨著研究的深入，認(rèn)識的加深，你會理論上一次一次推倒之前的認(rèn)知，實(shí)踐上不斷刷新對激光的掌握和控制能力。

如此說來，教科書過時了嗎？不然。

想起電影版的《倚天屠龍記》，張三豐問李連杰哦不，張無忌，你還記得幾招？無忌說：全忘了！

圖12.王晶《倚天屠龍記》劇照

學(xué)習(xí)激光初期，這些所謂特性描述，就像太極拳里的招式，只是引領(lǐng)你體會太極的意，等你掌握了意之后，招式就反而成了負(fù)累。是所謂無招勝有招。如同佛法中法字通筏，不是枷鎖，只是渡你去彼岸的小船。當(dāng)你熟練掌握各種原理和技術(shù)，你才能收獲到新的自由。

激光是什么？

等待那一天，期待你的答案。

參考文獻(xiàn)

[1] 張青, 趙研英, 魏志義. 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] 何會軍. 超短脈沖激光放大及中紅外飛秒激光產(chǎn)生的研究.[D]北京，中國科學(xué)院物理研究所, 2018.

[4]詹敏杰. 極紫外阿秒激光脈沖的產(chǎn)生與測量研究.[D] 北京，中國科學(xué)院物理研究所, 2014.

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

[6]何鵬. 高平均功率鈦寶石飛秒激光以及周期量級光脈沖的產(chǎn)生與控制. [D]西安，西安電子科技大學(xué)，2017.

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

☆ END ☆