飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲是如此的短，目前已经达到了4fs以内。1飞秒（fs） ,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。
　　
　　 近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。桑迪亚国家实验室的R.Trebino说:“过去10年中, （超快）技术已有显著改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。这种激光器现在人们已可买到, 而10年前, 你却必须自己建立。”比如，著名的飞秒激光系统生产商美国Clark-MXR公司将产生高功率飞秒脉冲的所有部件全部集成到一个箱子里，采用掺铒光纤飞秒激光器作为种子源，加上无需调整（NO Tweak）的特殊设计，形成了世界上独一无二，超稳定、超紧凑的CPA2000系列钛宝石啁啾脉冲放大系统。这种商品化的系统不需要飞秒专家来操作，完全可以广泛应用于科研和工业上的许多领域里。
　　
　　 根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。
飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。
第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运转始于1988年，这一成果标志着在实验室内飞秒超强及超高强光物理研究的开始。在这一领域研究中，由于超短激光场的作用已相当于或者大大超过原子中电子所受到的束缚场，微扰论已不能成立，新的理论处理有待于发展。在1020W/ cm2的光强下，可以实现模拟天体物理现象的研究。1019-1021W/ cm2的超高强激光产生的热电子（200keV

　　飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。美国劳伦斯?利弗莫尔国家实验室的研究人员发现，这种激光束能安全地切割高爆炸药。该实验室的洛斯克说：“飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。” 飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。美国Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工工作台正是代表了这个领域里最前沿的商用飞秒激光微加工系统，它包括了用超短脉冲激光进行微加工所需的一切设备与配件，可用于微加工任何材料，生成亚微米精细结构，而不会对周边材料造成损害，不会造成材料飞溅，加工结果极其精确并具有高度可重复性。

　　 我们相信，随着超短脉冲激光技术的进一步发展以及具有高可靠性的商用飞秒激光器的进一步完善，飞秒激光一定会在更多领域获得更为广泛的应用。

超大容量光纤通信中的飞秒激光技术

http://33tt.com/article/2004-04/162.htm

摘要
激光曾被视为神秘之光，并已被人类广泛使用。近年来，科学家研究发现了一种更为奇特的光－－飞秒激光，飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段，它在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大。本文介绍了飞秒激光的特点以及飞秒激光技术的应用情况，着重介绍了在超大容量（Tb/s级）光纤通信系统中，飞秒激光技术的关键性。

一、 飞秒激光技术概况

超快光学是指皮秒、飞秒光脉冲产生、放大、压缩、测量、控制及其应用的一门具有广泛应用前景的学科，它将对社会经济的发展起到巨大的带动作用。飞秒激光技术是超快光学的核心，是八十年代初期诞生并迅速发展起来的激光前沿研究领域和新的科学技术分支，其发展直接关系到信息科学的进步和物理、化学、生物、材料科学的研究向更深层次的发展，其突出特点是：
1. 脉冲宽度极短，可达飞秒（10-15秒），它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍，是当前人类在实验室条件下能够获得的最短脉冲的唯一技术手段。
2. 经放大后峰值功率极高，可达太瓦（1012W）以上，经聚焦，峰值功率密度可达1018~1020瓦/cm2，其强度超过了原子内部的库仑场。
高功率飞秒激光系统由四部分组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内，利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开。放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起，恢复到飞秒宽度，从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。
由于飞秒激光的超短脉冲宽度，飞秒激光技术已经成为研究物理、化学、生物学中原子、分子的超快过程，揭示微观物质运动规律的基础研究手段。众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在皮秒甚至更短的时间量级里快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。
由于飞秒激光脉冲的超高峰值功率，飞秒激光技术又是产生激光等离子体、超短X激光、新一代粒子加速器和激光核聚变快速点火的高新技术途径。物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光，产生β射线激光，产生正负电子对。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。
人类正在步入知识经济时代与信息化社会。信息的流量以每年34％的速率增长。要有效地利用信息，就要不断提高信息的传输、交换与处理的速度。由于普通电磁波的频率及电子在半导体中速度的限制，信息传输的速率和容量都受到限制。光波的频率是普通电磁波的105倍，光速是半导体材料中电子速度的1000倍，光子还具有空间与波长方面的并行处理能力。因此，以光子作为信息载体的通讯与信息处理技术将成为现代通信的主体。知识经济正是以光学经济为特征。飞秒技术将为光通讯提供高重复频率的超短光源、超快速光开关、光调制器和光控测器。飞秒激光脉冲由于它极短的脉冲宽度和与之相伴的宽带，将为提高光学时分复用和波分复用的信道数目提供方便，从而大大增加光纤通讯的容量。

二、 飞秒激光技术对超大容量光通信起关键作用

自从二十世纪八十年代早期以来，光通信技术一直持续飞速发展。信息传送容量不断膨胀，目前的商用光通信系统已经运行于10Gbps的传输速率之上。但是，随着互联网和移动电话应用的爆炸性扩张，目前的通信容量不足以支撑起未来基于多媒体的通信需求。据预测，到2010年[4]，通信系统的传输速率要求达到5－100Tbps 。这种性能要求不可能通过简单的修改目前的系统来达到。目前，要达到这种新一代的Tb/s级超大容量光通信的要求主要有两种途径：

1． 密集波分复用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）
波分复用技术是把不同波长的多个信道用同一根光纤来传输。目前能达到的最新技术指标是：在1550nm波长窗口用的宽带掺铒光纤放大器（WEDFA）使可提供平坦增益的波长范围已从约30nm加宽到80nm，信道波长间隔已缩至0.25nm。如果实现100 nm范围内间隔0.25nm的密集波分复用，其复用路数多达400路以上，以每路2.5Gb/s计算即可达1Tb/s。虽然全世界都在积极发展DWDM技术，可是，随着信道数目的增加，DWDM将遇到很大的技术难题而变得不实用，例如信道的管理和监控问题，增益平坦度问题，非线性串扰问题以及复用/解复用问题等。

2． 光时分复用OTDM（Optical Time Division Multiplexing）
电子学能达到的数字速率极限一般认为是10Gb/s，称为“电子瓶颈”，为了进一步提高单一信道的比特率，必须通过OTDM来突破“电子瓶颈”的限制。这必须依靠超快和全光器件。要建立一套实用的OTDM系统，可靠、小型、廉价的飞秒光电半导体器件是必不可少的，其中尤其是飞秒激光脉冲光源和飞秒全光开关。

1 ) 飞秒激光脉冲产生技术
要为Tb/s级光通信提供稳定的信号源，激光器必须能产生峰值光强稳定的高重复频率超快脉冲序列。实现飞秒脉冲光源有多种方案，例如：
光纤飞秒激光器
采用超连续光源，超连续光源的产生主要是利用光纤内的各种非线性效应引起谱展宽，综合利用光纤的非线性效应和色散效应引起的孤子效应产生变换极限的超短脉冲，通过光谱切片技术选出一系列不同波长的光源；
采用多波长锁模光纤激光器，即采用光纤光栅或滤波器作为选频器件，或采用色散补偿光纤增加腔内色散实现多个波长振荡，得到多波长输出的锁模脉冲。
采用主动锁模掺铒光纤环形激光器（ML-EDFRL）产生锁模超短脉冲序列，通过高饱和输出功率的掺铒光纤放大器（EDFA）将脉冲峰值功率放大到1W以上，然后泵浦超连续光纤，产生宽带、强度平坦的超连续（SC）光谱。这样，通过光学带通滤波器（OBF）就可以取出一系列脉宽可调（皮秒量级到飞秒量级）的近变换极限脉冲
半导体飞秒激光器
采用多个增益开关半导体激光器，通过高速调制产生比调制电脉冲窄得多的光脉冲，通过正色散光纤和滤波器消啁啾技术得到一系列不同波长的变换极限OTDM/WDM光源；
采用脉冲碰撞锁模分立封闭异质节多量子井(GRIN-SCHMQW)半导体激光器，可以产生非常稳定的500GHz光脉冲序列。利用谐波同步锁模技术很好的抑制了信号抖动。再对500GHz脉冲利用光纤倍增技术实现1THz的信号源[1]。
最近，日本FESTA实验室通过半导体激光器结合光纤脉冲压缩技术，产生了世界上最短的光脉冲[3]。飞秒级光脉冲在传播过程中，受到的色散影响将会很严重，必须采取必要的色散补偿措施。FESTA利用色散补偿光纤方法实现了250fs光脉冲的139km的传输[1]。

2 ) 光子节点器件技术
在新一代光通信网络中，光子节点结构的设计是一个关键课题。光子节点需要用到各种各样的光开关，实现光信息系统中大容量信息在网络光路中高速分组切换与选择吸收。这些光开关的动作必须由光子来触发，因为其开关时间要求达到100fs的量级，用电子的方法不可能达到这样的速度。全光开关一般是基于超快非线性光学原理的，最近多种新型的飞秒全光开关受到重视，例如

基于半导体量子井交叉能带跃迁
用这种新型光开关(InGaAs/AlAsSb耦合量子井)[1]，成功实现了1Tb/s的解复用。

InGaAs/AlAsSb耦合量子井半导体全光开关

基于对称 Mach-Zehnder（SMZ）
SMZ可以用长迟豫时间的非线性光学材料做成飞秒级的全光开关。使用两臂信号光偏振态相异的SMZ[2] 实现了1.5Tb/s的解复用。

     对称 Mach-Zehnder（SMZ）型全光开关

参考文献
[1] F u j i o S a i t o , Femtosecond Optoelectronics Opening a New Route for the New-generation Photonic Networking, Network Design/Technology
[2] Shigeru Nakamura, Yoshiyasu Ueno and Kazuhito Tajima, IEEE Photonics Technol. Lett., 10, pp. 1,575–1,577, 1998.
[3] Y. Matsui, et al, Proc. European Conf. Optical Commun., 1999, ECOC'99, Nice, Part II, p. 22
[4] OSAMU WADA , Femtosecond Optoelectronic Devices for Telecommunications with Terabits-per-second Data Rates and Beyond, Compound Semiconductor Magazine 2000 Volume 6 No. 1
[5] 王清月, 《飞秒激光技术及其相关学科》, 量子电子学，Vol 11 No.4, 1994
[6] 《超快激光和电光技术迅速发展》，国外激光，10，1994

飞秒激光脉冲的应用  http://33tt.com/article/2004-11/376.htm

 　飞秒脉冲的直接用途就是时间分辨光谱学。用飞秒脉冲来观测物理，化学和生物等超快过程，飞秒脉冲可作共焦显微镜的光源，来作生物样品的三维图象^〔27〕。用飞秒脉冲作光源的光学相干断层扫描(optical coherence tomography,简称OCT)可观察活体细胞的三维图象^〔28〕，此时并不是利用飞秒脉冲的时间特性，而是利用飞秒光源的宽谱线，来产生类似白光的干涉，利用飞秒脉冲在半导体中激发的声子的反射可用来实时测量半导体薄膜的厚度^〔29〕，以监测半导体薄膜的生长，用飞秒脉冲来作微型加工，打出的孔光滑而没有毛刺^{〔30，31〕}，因为飞秒脉冲不是靠热效应先熔化再蒸发，而是靠强场直接蒸发材料，飞秒脉冲用作光通信的光源，可把现有的通信速度提高几百倍，高能量的飞秒脉冲激光与等离子体相互作用可产生高次谐波及X－射线，并有可能用于受控核聚变^〔1〕，人们还尝试用飞秒脉冲产生的兆兆赫兹辐射，来检测集成电路的包装质量^〔32〕，甚至肉类制品的脂肪含量。总之，飞秒脉冲的应用很多，问题是，什么是最有价值的应用?这里有两种可能的情形：
 
 　　①在某些应用中，飞秒脉冲有其绝对的应用价值，即没有飞秒脉冲就不行，例如飞秒脉冲光谱学，超高速光通信等；
 
 　　②另一方面，飞秒脉冲有其相对应用价值，即用飞秒脉冲可能做得更好，例如比现存的技术，核磁共振，X－射线，雷达，电子加速器等等，更简便易行，能源消耗更少，更小型化。
 
 　　随着飞秒脉冲激光器的进一步发展和完善，一定能开辟出更多的应用前景。值得注意的是，每当研究发展到一定阶段，各国的研究人员中就有一批人从研究小组分离出来，把研究成果转化为产品，当然原有的激光器公司也注意吸收新的研究成果。例如当时还在罗彻斯特大学的巴窦(P.Bado)早在1985年就成立了自己的公司麦道克斯(Medox)，生产高速光开关，后来随着飞秒脉冲放大技术的发展，他又与生产飞秒脉冲激光器的克拉克仪器(ClarkInstruments)公司联合成立了克拉克－麦道克斯(Clark－MXR)公司，专门生产飞秒脉冲固体，光纤激光器和放大器，及其周边仪器，华盛顿州立(Washington State)大学莫内恩与其丈夫卡普廷(H.Kapteyn)在创造了11-fs钛宝石激光器以后，虽然没有脱离大学(现均移往密西根大学任教)，却成立了以他们夫妇名字命名的业余公司“KM-Laboratory”，出售他们制造的10-fs激光器，维也纳工业大学的克劳斯小组中的施丁格尔(A.Stingl)等几个人也独立出来成立公司叫Femto Lasers,出售他们制造的使用色散反射镜的亚10-fs激光器，匈牙利固体物理研究所的采波奇也“停薪留职”，成立了Laser Optics公司，利用匈牙利固体物理研究所的设备，生产飞秒脉冲激光器用的色散反射镜，用他自己的话说，是他在“养活”研究所里的其他人，另一对以飞秒脉冲研究出名的夫妇凯勒和维因咖顿(K.Weingarten)更有趣，一个仍在大学做教授，另一个退出了美国光波公司(Lightwave Electronics)而随妻凯勒来到瑞士创办了一个叫“时间带宽积”的公司(Time-bandwidth Products)，生产凯勒发明的用可饱和吸收镜启动锁模的飞秒脉冲激光器，两大激光器公司相干公司和光谱物理公司也当仁不让，倚仗它们雄厚的实力从泵浦激光器，飞秒脉冲振荡器，放大器到参量振荡器各个领域与群雄展开全面竞争。
 
 　　在国家科技战略方面，美国的做法是支持几个重点大学和国家实验室，例如密西根大学的超快光学中心，加州大学圣迭哥分校的强场物理实验室，劳仑斯-利物莫实验室等。日本则是以通产省大型“产(产业)官(官厅，即国家实验室)学(大学)”研究项目的形式，于1996年开始了所谓“飞秒技术计划”，集中了日本几乎所有的知名大公司，国家实验室和大学，还拉上了美国的贝尔实验室，开展飞秒脉冲技术的研究，目标是在兆兆比特高速通信技术方面独占鳌头。