飞秒激光器发展进展
发布时间：2020-09-11 16:15
超短脉冲激光器从上世纪80年代开始，经历了从染料到固体飞秒激光器的发展，开辟了科学和工业应用的新时代。但其昂贵的价格，庞大的体积，对环境的稳定性差等缺陷阻碍了飞秒激光的应用。探索新机理，突破现有飞秒激光局限，研制新一代飞秒激光成为世界范围内热门研究课题。自90年代初，光纤激光器利用半导体激光器泵浦，具有小巧、结构简单、无需水冷和可集成化的特点，逐步发展起来并成为钛宝石激光器强有力的竞争者和替代者。早期的飞秒激光器，采用掺铒的通信光纤，工作波长1550nm，普通单模光纤色散为负，能提供与自相位调制对应的啁啾补偿，于是孤子锁模（Soliton mode locking）[2]和展宽脉冲（Stretched pulse）锁模就成为主流机制。由于其倍频光的波长在775nm，经过拉曼移频可移到800nm附近，在商用激光器上，已经用作钛宝石放大器的种子脉冲。飞秒激光器的用途是什么？
自90年代末以来，研究人员一直在将飞秒激光器的超短脉冲写入具有宽带隙的块状材料中，这些材料通常是绝缘体。但到目前为止，对于具有窄带隙的材料，如硅和其他半导体材料，精密超快激光写入还是不能实现的。人们一直致力于为3D 激光写入在硅光子学中的应用以及半导体中新物理现象的研究创造更多条件，从而拓展硅应用的巨大市场。
近日，来自于法国、卡塔尔、俄罗斯和希腊的科学家Margaux Chanal等人在最新一期的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上发表了一篇名为《Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon》的论文。论文中表示，之前在硅中进行超快速激光写入的尝试中，飞秒激光器在结构上无法对体硅进行处理的问题得到了突破，采用极端NA值允许激光脉冲可实现足够的电离破坏硅中化学键，导致硅材料永久性结构改变。
此次试验中，科学家发现，飞秒激光器即使将激光能量提高到技术上的最大脉冲强度在结构上仍然无法对体硅进行处理。不过，将飞秒激光器替换成超快激光时，在诱导体硅结构操作中没有受到物理上的限制。他们还发现激光能量必须以快速的方式在介质中传输，以便使非线性吸收的损失最小化。原来之前工作时遇到的问题源于激光器的小数值孔径（NA），也就是激光传输聚焦时可以投射的角度范围。科研人员通过采用硅球作为固体浸入介质解决了数值孔径问题。当将激光聚焦在球体的中心时，硅球完全抑制折射大大增加数值孔径，从而解决了硅光子写入问题。
事实上，在硅光子应用中，进行3D激光写入将可能大大改变硅光子学领域中设计和制备的方法。而硅光子学则被视为微电子学的下一场革命，影响着激光在芯片级别的最终数据处理速度，这一3D激光写入技术的研发为微电子学打开了新世界的大门。
