飛秒激光發展歷程軼聞錄 ——圈內那些年的那些事

作者：張志剛

參加過CLEO這樣的國際「頂級」光學會議的人都知道，和飛秒激光相關的分會場太多了。新型飛秒激光器、強場物理、飛秒光頻梳、飛秒時間頻率、飛秒激光測距、飛秒生物顯微成像、飛秒激光加工，飛秒太赫茲波……嚯，這麼說吧，你要是沒聽說過飛秒，你都不好意思在會場上跟人打招呼！

可是，倒推30年，飛秒激光器還是富貴人家的「玩具」呢。當時能輸出飛秒脈衝的還是對撞脈衝鎖模染料激光器。但染料激光器的初期準直是一件非常複雜的事情，有時候甚至要花費一個月的時間。聰明的公司，不會真的派人去現場為客戶安裝激光器，而是把需要的所有光學零件都包裝起來，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。

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偶然發現的「自鎖模」

染料激光器太不方便了，需要循環，還有毒，人們就希望能夠找到更好的激光介質。20世紀80年代，鈦寶石激光器作為寬頻可調諧激光器，已經有很多應用，但還不是飛秒激光器，因為飛秒需要鎖模。而鈦寶石激光器的鎖模技術，人們還在探索中。最初想模仿染料的「對撞」脈衝鎖模，不太成功，因為鈦寶石上能級壽命比較長，不像染料那樣容易鎖模。後來又出來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，與腔內的雜訊「共振」，形成「鎖模」。那時大家都在這個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）做得比較出名。

蘇格蘭三校中，St Andrews大學Wilson Sibbett教授課題組裡有一個博士生，叫David Spence，他利用分束鏡將部分光耦合進一根光纖，再用一個反射鏡將光纖輸出的光返回到腔內，這樣他就做出了鈦寶石激光器的鎖模。

但是有一天，他發現，雖然鎖模成功了，實際上他並沒有把光纖輸出的光返回到腔內，或者說那個反射光並沒有被耦合好。這是怎麼回事呢？他索性把光纖拿走，輕輕一碰這個腔，結果也鎖模了。這個偶然發現讓他興奮不已。趕緊發論文！一下子轟動了整個光學屆，引來了無數跟隨者。

這就是所謂的「克爾透鏡鎖模」，即強脈衝導致的自聚焦效應，被所謂的軟光闌選出。David沒有意識到的這個效應，卻被相干公司發現並加以開發了。他們利用自聚焦效應，在輸出鏡前加了一個可變光闌，腔內用一個蝶形擾動器，來擾動光束，產生一些隨機的尖峰脈衝。手動調節不斷縮小光闌，就會在某一個時刻，發現激光器工作轉換成脈衝模式。此時，蝶形擾動器就停止了。這樣就解決了飛秒激光的啟動問題。相干公司為此申請了專利，這也成為他們獨霸市場的一把「利器」。

David雖然發現了「自鎖模」，但是所有的榮譽都奔向了他的導師Sibbett。而導師也心安理得地享受著那些天上掉下來的榮譽。David一怒之下，告別了飛秒這個令他傷心的圈子，去了加拿大的某公司，再也沒有回頭。

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開始熱鬧的飛秒圈

從那時起，各路學者紛紛湧入該領域，一時間，大佬雲集，群星璀璨。比如華盛頓州立大學的Henry Kapteyn和Margret Murnane夫婦，維也納工業大學的Ferenc Krausz、Martin Fermann、Evgeni Sorokin和Irina Sorokina夫婦，荷蘭格羅寧根大學的Wiersma組中的立陶宛人Anderius Baltuska等。

密西根大學（University of Michigan，簡稱UMich，當地中國留學生稱之為優密）在安娜堡市。安娜堡有個美稱叫「Femto Valley」，寓意飛（秒）谷，因為這裡有從優密spin-off出來的好幾個飛秒公司。優密里有一大咖，就是 Gérard Mourou先生。Mourou先生本是法國人，後來到羅徹斯特大學擔任教授。在那裡，他和他的博士生Donna Strickland一起把雷達里的啁啾放大技術用在光脈衝的放大上。不過那個時候的飛秒光脈衝還是染料激光器產生的。直到鈦寶石激光器日趨成熟，Mourou先生才有了用武之地。

1990年，他和美國政府簽了10年合約，在優密建立了一個超快科學中心（CUOS）。引來很多科學家慕名加盟。比如Henry Kapteyn和Margret Murnane、Jeff Squier，還有大家熟悉的中國的常增虎博士。當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帶來的Philippe Bado、Martin Fermann、Don Harter等人。這些人最後都創建了公司，所以安娜堡一下子冒出來五六個和飛秒有關的公司：IMRA America、Clark-MXR、Intralase、Picometrix、Translume等，使得「飛谷」之名實至名歸。其中大名鼎鼎的Intralase（就是用飛秒激光做近視眼手術的那個公司）後來八億美刀被Abbott（雅培）公司收購，羨煞無數飛秒夢中人。比如在IMRA公司的Fermann也辭職跑去波士頓創辦了一間叫Boston Lasers的公司。由於沒有商業頭腦，Ferman和他的合作者沒有獲得商業上的成功，只好又回到了老東家IMRA公司。而IMRA公司的老闆大光敬史卻也不計前嫌，歡迎Ferman回歸，仍把他作為人才重用。

華盛頓州立大學異軍突起，Henry Kapteyn和Margret Murnane夫婦不斷創出新的脈寬記錄，他們先憑一條強度相關圖，就自稱創造了11 fs脈衝最短的「世界紀錄」，曾引起業內不小的爭議。他們不理爭論，以低色散加上低溫製冷，做出10 W以上的輸出功率。不過後來他們在高次諧波上的成績還真不能小看。自從在密西根大學和Mourou先生鬧掰了，跑到科羅拉多大學自立門戶，他們成為了Nature、Science上發表高次諧波方向論文的高量產者，迅速成為超快界的大咖級人物。

維也納工業大學的校長Smith眼光獨到，大力支持本校開展飛秒激光器研究，把剛從布達佩斯畢業的Ferenc Krausz招來做博士後。Krausz用匈牙利物理所的膜系設計和鍍制技術，開發了所謂啁啾鏡，一下子把脈衝寬度降低到5 fs左右。Krausz立刻成為耀眼的明星。

還有正在格羅寧根大學做博士後的Baltuska，先是用腔倒空的脈衝用光纖擴譜，再壓縮，把脈衝壓縮到5 fs。後來他離開了荷蘭，到東京大學加入小林孝嘉組做博士後，把參量放大的脈衝也壓縮到了5 fs，而且搞清楚了參量放大中的相位關係。現在，Baltuska是維也納工業大學的教授，也是一位名人。

這裡，自然不得不提超短脈衝的元老，當屬麻省理工學院（MIT）Hermann Haus和Erich Ippen。Haus理論功底十分紮實，他建立了激光鎖模的主方程理論，解釋了Kerr lens鎖模，還創立了激光器雜訊理論。而Erich在實驗上實現了飛秒光纖激光器，奠定了飛秒光纖激光器的基礎。Haus先生把自己的主方程理論運用到了極致，從二階色散做到三階色散，而後再沒看到更高階的色散應用。維也納工業大學的學者們繼續了他的工作。Haus先生去世兩年前的2001年，他把自己的博士後弟子Franz Kaertner從德國的卡爾斯魯厄工業大學招了回來，接替他的工作，希望MIT依然能保持三人組，繼續領先全球。Kaertner先用自己的「雙啁啾鏡」技術在MIT立足，後來又擴展到從飛秒激光中提取精密微波信號和經過光纖的時間頻技術，還和哈佛大學合作，用飛秒激光作為頻率標準，定標天文光譜儀，尋找太陽系外類地行星。後來Kaertner發現，在美國申請經費似乎沒有想像中的那樣順利，要養一大堆學生和博士後也真是挺難的。2010年，他又回到德國漢堡，加入了德國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，幹嘛要回德國呢？許多人不解。Ippen教授道出了其中的秘密：「德國答應他20年的科研經費不用發愁，我們美國做不到哇！」

康奈爾大學的Frank Wise組，也是飛秒光纖激光器不能忽略的一支隊伍。Wise 剛留校的時候，經費不多，先從公司的研發經費中支取一部分從事鈦寶石激光器研究。後來他看準飛秒光纖激光器的廣闊前景，果斷進入。他的幾位學生：土耳其人OmerIlday、韓裔美國人Andy Chong和Wil Renninger成了他的得力幫手。這幾位學生理論非常強，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，誰沒用過這些技術？

3

單周期和阿秒脈衝進入人們的視野

維也納工業大學的科研人員們一方面完善了鎖模理論，一方面發明了「啁啾鏡」，將脈衝快速降低至5 fs以下。隨著脈衝的縮短，單周期脈衝進入人們的視野。對應800 nm波長，單周期就是2.7 fs，因此小於5 fs都可以認為少於兩個周期，即單周期脈衝。而在單周期脈衝中，包絡線下對應載波的是波峰還是波谷，對於激光等離子體和高次諧波產生就變得非常重要。Krausz是物理出身，做個啁啾鏡壓縮個脈衝，對他而言，小菜一碟。他們很快用這種激光器和他們自己研發的放大器，以及脈衝相位控制技術，發現了孤立阿秒產生的秘密。燕雀安知鴻鵠之志啊！維也納工業大學這座小廟就容不下他了。2003年，他便去了德國，當上了Max Planck量子光學研究所的主任。背後支持他的，還有一位大佬，就是加拿大科學院NRC的Paul Corkum。Paul在激光等離子體上的貢獻可不一般。最著名的當屬他於1992年發明的公式：原子氣體激光電離產生的高次諧波的最大光子能量=氣體原子電離勢+3.17倍的有質動力勢，奠定了阿秒脈衝產生的基礎，得諾貝爾獎的呼聲很高。老先生前些年退休了，在渥太華大學擔任教授。他全力支持Krausz從事阿秒激光研究。

1994年初，業界突然竄出一匹dark horse。這匹dark horse就是Ursula Keller。她的一篇「Ultrafast all-solid-state laser technology」的邀請論文震驚了業界：這人誰呀，儼然就是飛秒固體激光器的大牛啊！Keller本科就讀於愛因斯坦的母校——瑞士聯邦工業大學，是出了名的女學霸，GPA 6.0。後斯坦福留學獲博士學位，在貝爾研究所工作了4年之久。1993年成了海歸，回到母校瑞士聯邦工業大學，1997年就成為正教授。她在貝爾研究所研究期間，發明了半導體可飽和吸收鏡，那時還叫「anti-resonant Fabry-Perot saturable absorber」。直到1995年，她才正式稱這種半導體器件為SESAM。

但是，和她在貝爾研究所一起共事過的Wayne Knox堅稱自己此前的叫法：SBR（saturable Bragg reflector）。1996年的Ultrafast Phenomena會上，兩人還因為叫法不同在會議上起了爭執。

這次衝突也讓大家領教了Keller大姐的強悍。2005年光頻梳的諾貝爾獎頒給了Theodor W. Haensch，這讓Keller深感委屈。她認為早在1997年她就推導出來了初始頻率和載波包絡相位的公式，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，美國光學學會決定將湯斯獎頒發給她，而獲獎理由就是發明了fceo的測量方法。頒獎大會上，她感慨萬分，感謝評委終於承認了她的貢獻。她終於名正言順、揚眉吐氣了。

Keller教授回國後，以在貝爾研究所做出的SESAM為利器，在超短脈衝激光器領域獨領風騷。固體激光器的克爾透鏡鎖模要調到諧振腔的穩區邊緣，導致鎖模不穩定。為了將鎖模和脈衝成型過程分開，就得換個鎖模方式，這樣，就得用SESAM。20年間，儘管不斷有新的可飽和吸收體推出，什麼碳納米管、石墨烯、二維材料，Keller教授一概無視，堅持在SESAM上創新。2011年以來的新進展就是發現了SESAM破壞閾值低的真實原因，做出了高破壞閾值的SESAM，破壞閾值達到100 mJ/cm2。用這種SESAM做出的激光器，輸出的平均功率可達數百瓦，並且SESAM 不會被打壞。

4

飛秒激光技術的商業化

國際上飛秒激光器的廠家很多，最著名的當屬相干公司和光譜物理（現為MKS集團旗下）這兩個老牌兒公司。它們都是20世紀60年代隨著激光器的誕生而成立的公司。遵循著差異化競爭的原則，其他公司開始了上述兩家公司並未涉足的光纖激光器和工業應用來拓展市場，比如瑞士的Onefive公司、美國的Calmar公司。但是，真正把飛秒激光器公司做大、可與美國上述兩大公司抗衡的，只有德國的Trumpf公司。不過這個公司在中國不叫「特朗普」，而叫「通快」。通快公司主攻激光加工用的激光器，最近幾年其超短脈衝碟片激光器做得非常好，一下子打開了中國市場。

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。細了，就出非線性；粗了，就出多模。這時候就需要用一種大模場面積光纖——光子晶體光纖。這種光纖可以做到100 m的芯徑，不出多模。光纖激光器的原材料供應商中，本來有CorActive和Nufern。可是，能做摻雜光子晶體光纖的公司只有一個，即丹麥的NKT公司。可是這個丹麥公司，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。因為他們收購了做種子激光器的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。你瞧這點兒趕的，跟美國對中興禁運差不多同時。NKT的下游企業，尤其是國內的幾家公司立馬懵圈：買不到光纖放大模塊，如何進行後續生產？這麼一鬧，國內有的飛秒激光器公司就現了原形：原來都是攢(cuán，組裝)激光器啊。現在知道飛秒光纖激光器的核心技術是什麼了吧，就是大模場面積光子晶體增益光纖。當然還有抽運用的大功率半導體激光器，咱們一時半會也造不出來。

除了那些專業公司，搞出點名堂的教授也都創建了公司：Krausz的Femto Lasers和他到德國後開的Ultrafast Innovations，Kaertner的Cycle，因光頻梳獲諾獎的Haensch的Menlo Systems。還有不少是「夫妻店」。Keller二十年前就和丈夫Kurt Weingarten創建了Time-Bandwidth Product公司。Kurt本來就在美國Lightwave Technology公司工作。辭職回瑞士創辦公司對他來說不算什麼。過了一段時間，他們又開了Giga-tera公司，而後該公司被別的公司收購了。Keller在學術上叱吒風雲，辦公司可不是太在行。本來想讓自己的第一個大弟子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，後來還開了自己的公司——HighQ laser，也用SESAM鎖模，而且比Time-Bandwidth公司的同類產品更受市場歡迎，引起了Keller極大不滿，暗罵這隻白眼狼。

除了Keller和Weingarten，夫妻合夥開公司的還有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波長的飛秒激光器。他們是如何身兼教學、科研和市場化三不誤的呢？究其根本，他們都是讓自己的畢業生打理公司，利用自己在學術屆的強大影響力，把這些學生培養成了亦商亦學、「做買賣不忘發論文」的人。他們同時擔任著各種學術兼職，像Sterling Buckus這樣的人，照樣在學術界呼風喚雨。這樣就保證他們隨時可轉到學術單位。

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未來發展方向如何？

飛秒激光技術的發展方向是什麼呢？

Krausz說，是高功率高重複頻率飛秒激光器。脈寬可以做到5 fs以下，脈衝能量達到焦耳量級，平均功率數千瓦。至於怎麼達到，Krausz推崇光參量啁啾脈衝放大（OPCPA），而法國巴黎高工、德國耶拿大學、美國密西根大學等則主張光纖激光器的相干合成。

最近康奈爾大學的Wise發表了一篇論文「飛秒光纖激光器發展的若干方向」。他們提出三種高能量超短脈衝的生成機制：一個是Mamyshev鎖模（腔內雙濾波器）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衝產生和事後壓縮；最後一種是多模光纖中的超短脈衝產生，利用Kerr非線性將多模光纖中的多橫模脈衝「清洗」乾淨。

應用方面也在大規模展開。標榜工業4.0的德國，21世紀初就建立了以高功率激光器和激光加工技術為主的總額8億歐元的框架協議「Photonik Forschung Deutschland（2002年～2011年）」，後續的項目是「Agenda Photonik 2020」。美國雖然沒有大型國家項目明確支持激光加工，但以IPG和相干公司為代表的企業一直在推進激光加工事業，包括飛秒、皮秒的激光加工，並開發在物聯網、人工智慧等方面的應用。

日本21世紀初以來沒有推出過和激光有關的大型項目。但是最近幾年，日本意識到高功率激光器市場大部分被國外佔領，而日本高功率激光器研究不僅落後於歐洲，也有被世界工廠之稱的中國超過的危險。於是，他們連續推出了ERATO、IMPACT和高亮度、高效率次世代激光技術開發等激光技術主題的大型項目，並且都和飛秒激光技術應用相關，其中後一個項目著重飛秒激光器在工業微加工上的應用。

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