在美國以及世界各地的學(xué)術(shù)界以及政府和產(chǎn)業(yè)實驗室所從事的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究工作表明，超短脈沖激光器(USPLs)的廣泛應(yīng)用具有重大前途。正如光學(xué)工程期刊最近列舉的一個特殊例子，這些應(yīng)用涵蓋了從基本科學(xué)研究探索基本物理和各種化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)、光與物質(zhì)相互作用、大多數(shù)材料相互作用和先進制造技術(shù)。
圖1不同激光脈沖類型下的材料加工對比
圖2USPL組件及性能目標藍圖
正如其他人注意到的，超短脈沖與物質(zhì)相互作用在時間尺度上會產(chǎn)生非熱效應(yīng)。對于基礎(chǔ)物理和化學(xué)研究，脈沖的性質(zhì)允許研究人員探測詳細動力學(xué)以及光子吸收和化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)、并提供一種可以在頻譜和時間領(lǐng)域調(diào)整的寬帶源。對于散裝材料的相互作用，已表明超短脈沖可以用于刪除各種材料減少或消除熱影響區(qū)域的問題。反過來，這也幫助激光器制造商開發(fā)先進的制造技術(shù)用于工業(yè)生產(chǎn)過程。
使USPL源從實驗室轉(zhuǎn)化變成制造產(chǎn)品的一個關(guān)鍵推動者是USPL技術(shù)的商業(yè)化。從2006年開始，美國國防部，特別是美國海軍，發(fā)起了一項超短脈沖激光技術(shù)開發(fā)項目將USPL系統(tǒng)分解為可以獨立追蹤和改善的子系統(tǒng)和部件，部件的增量和革命性改進引發(fā)USPL能力的顯著進步以及總體技術(shù)成熟度。
該報告總結(jié)了項目，包括如下內(nèi)容：概述推動USPL源的動機，重點強調(diào)商業(yè)應(yīng)用如機械制造的實際意義；簡要概述USPL系統(tǒng)構(gòu)架和關(guān)鍵部件整體性能；概述這些部件的實際科技發(fā)展技術(shù)，最后，簡要總結(jié)該項目取得的幾個顯著技術(shù)成果。
1.動機
為什么是超短脈沖激光器？
超短脈沖激光器是產(chǎn)生飛秒量級(10-15s)光脈沖的的設(shè)備。產(chǎn)生這些脈沖的設(shè)備通常稱為模式鎖定激光器——激光源所有共同相位的縱向模式振蕩。結(jié)果，超短振蕩器產(chǎn)生的這些脈沖的重復(fù)頻率與激光腔的往返時間相關(guān)(通常為兆赫茲的10’s~100’s)，時域脈沖持續(xù)時間(即脈沖寬度)由激光器的光譜含量的傅里葉變換給出。
USPL系統(tǒng)可以在不產(chǎn)生過大熱影響區(qū)的條件下實施材料加工，圖1給出了區(qū)別。
如圖1所示，對比于連續(xù)波或納秒脈沖源，高精度打孔或切割的應(yīng)用使用USPL源將大大獲益。隨著加工材料靈敏度的變化，也很有必要使用USPL源。例如許多先進玻璃、聚合物和介電材料對于熱高度敏感，當被加熱時易變脆，甚至在很小程度上。
圖1不同激光脈沖類型下的材料加工對比
目前技術(shù)
USPL源的大多數(shù)實驗室都是基于閃光燈泵浦摻鈦藍寶石晶體，實現(xiàn)多級放大，產(chǎn)生的脈沖寬度為10~100fs，脈沖能量為幾微焦。備用波長可由二極管泵浦鉺玻璃或晶體(1.5微米)或者摻雜鐿玻璃或晶體(1微米)。各種非線性轉(zhuǎn)換過程可以產(chǎn)生更長或更短的波長。傳統(tǒng)上，由于較差的耐用性(所造成的機械振動不穩(wěn)定性)和對環(huán)境的敏感性這些大型固態(tài)系統(tǒng)不適合工業(yè)應(yīng)用。從系統(tǒng)的角度來看，大多數(shù)的耐用性和環(huán)境敏感性問題都可以追溯到自由空間光學(xué)架構(gòu)上?？煽啃?、可維護性、模塊化——對所有商用激光器系統(tǒng)的高度期望的屬性，常常與給定激光系統(tǒng)內(nèi)的自由空間光學(xué)元件的數(shù)量是負相關(guān)的。
2.海軍技術(shù)發(fā)展項目
目標
海軍的技術(shù)發(fā)展項目的目標是開發(fā)能夠制造高性能、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧的USPL系統(tǒng)的總體架構(gòu)及其組件，系統(tǒng)工作在數(shù)毫焦脈沖能量、亞皮秒脈沖持續(xù)時間、10~100kHz重復(fù)頻率，運行波長為1.5微米，可以通過計算機軟件控制實現(xiàn)遠程遙感操作。由于光纖對環(huán)境條件(包括溫度、濕度和沖擊/振動)的相對不敏感性，首選的技術(shù)發(fā)展路線是基于光纖的，盡管大尺寸布拉格光柵展寬和壓縮機技術(shù)是興趣點，由于在尺寸和重量節(jié)省方面取得了革命性的進步。
高脈沖能量和亞皮秒脈沖持續(xù)時間的基本原理是顯而易見的，更高的峰值功率可以實現(xiàn)更高效的機械加工。選擇1.5微米波長是因為它代表了中紅外波長并且是“人眼安全”的波長范圍。此外，有人認為摻鉺光纖系統(tǒng)在上世紀取得的進步有利于推動技術(shù)的快速發(fā)展。
海軍SBIR項目
美國國防部的一小部分預(yù)算是預(yù)留給小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃的。一年幾次，每個國防部部門都會公布可獲得資助的研究課題。從2006~2007年開始持續(xù)到2013年，美國海軍發(fā)布了9個不同的研究主題涵蓋整個USPL系統(tǒng)鏈(見下文)。從這些主題簽發(fā)了幾十個合同給小企業(yè)，推動了USPL技術(shù)最先進發(fā)展。
正如上面提到的，美國海軍USPL技術(shù)發(fā)展規(guī)劃認識到有必要解決USPL產(chǎn)生和放大過程的每一步。計劃遠景為每個元素描繪了一個或多個主題，如圖2所示。
圖2USPL組件及性能目標藍圖
具體來說，研究主題包括光纖放大器技術(shù)和材料開發(fā)、緊湊壓縮機技術(shù)開發(fā)、光纖傳輸技術(shù)開發(fā)、脈沖相位壓縮技術(shù)及技術(shù)開發(fā)。
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