飞秒激光器

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。飞秒脉冲时域宽度是如此的短，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、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。     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。     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。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，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，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，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，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，甚至肉类制品的脂肪含量。总之，飞秒脉冲的应用很多，问是，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。 飞秒脉冲激光器具有超强、超快和宽波段波长可调谐输出三重特性。 1.            超强特性可用于非线性光学特性的表征和研究，例如：非线性光学晶体的二、四倍频、和频、差频，双光子吸收、双光子聚合，光限幅研究，微纳米光学加工等。 2.            超快特性可用于超快过程的测试与研究，例如：短寿命的荧光发射、荧光寿命测试，光纤传输带宽的测试，瞬态吸收等。 3.            300-3000nm的宽波段可调谐输出，几乎覆盖所有材料的吸收范围，可用于材料的吸收、发射光谱测试，以及各种光敏感物质的相关研究。例如：纳米结构材料的发光特性，光纤传输损耗测试，生物质在温度变化中的光学特性等。 femt-O-cut 系统采用紧凑的飞秒近红外激光器来进行透明材料的3维纳米加工。低能量（亚纳焦到纳焦）高至90MHz 重复率的脉冲在高数值孔径（NA 1.3）光学系统中聚焦以达 到飞升体积的光学消融。光束强度由电动衰减器调制，达到 聚焦区域的能量仅有几个TW/cm2，70nm（FWHM）以下最小的 超精准多光子离子化消融。该设备在普通显微镜上装备了高速检流扫描单元，全帧扫描， 感兴趣区域（ROI）扫描，线扫描和单点消融（点扫描，打孔）都可以控制在亚微精度。电动载物台用来做大区域加工。 对于竖直定位，聚焦光学系统可以装配40nm精度的压电载物台。 femt-O-cut 也是一个非侵入式层析扫描诊断工具，允许高 分辨率对样品选择区域成像，同时监控消融过程的结果。   尽管掺钛蓝宝石是常用的激光增益材料,并作为可调谐超快掺钛蓝宝石激光器的主要成分广泛应用于各类光子应用中，但它需要高亮度泵浦源，通常是输出功率为几瓦的氩离子激光器或倍频钕激光器。现在,基于氮化镓(GaN)的蓝光和绿光激光二极管的输出功率不断提升,这使得苏格兰Strathclyde大学光子学研究所的研究人员能够首次演示由一个激光二极管直接泵浦的锁模掺钛蓝宝石激光器。[1] 不太可能实现的结果 由于蓝光和绿光激光二极管的输出光功率通常较低,并且它们的波长与掺钛蓝宝石增益材料的宽范围但低效率的吸收谱并不匹配,因此激光产业界始终认为，不可能用二极管实现对钛蓝宝石泵浦产生激光。然而, 日本Nichia公司生产的波长452nm的小型GaN激光二极管，实现了1W的输出功率,已经可以用来泵浦掺钛蓝宝石激光器。该激光器采用标准腔设计，输出800nm、19mW的连续光（如图）。 图：Nichia公司的商用蓝光激光二极管（右图）首次被用于一个小型装置中（下部光路图），作为掺钛蓝宝石激光器的低成本泵浦源，以替代传统的体积较大、成本较高的倍频固态激光器（左图）。 为了实现激光输出，研究人员采用了1个非球面准直透镜、1个由两个柱透镜构成的望远镜以及1个球面透镜，将激光二极管的输出光聚焦到四镜腔内的掺钛蓝宝石晶体上。计算出的晶体腔腰半径为25×15μm。在输出耦合为0.5%的条件下，入射到晶体上的光功率为870mW时，可以得到750mW的锁模阈值以及9mW的最大平均输出功率。利用干涉自相关法，测得有限变换输出的半高全宽脉冲宽度为116fs。 面临的挑战 目前测得的输出功率低于建模计算出的预期值。研究人员认为，这是由于在发射激光的波长处泵浦所导致的损耗。但当波长大于477nm时，就很难察觉到损耗。由于更长波长的GaN激光二极管技术已经取得了进展，因此研究小组相信通过进一步的实验，可以很快制造出更高输出功率的二极管直接泵浦的掺钛蓝宝石激光器。即使采用目前的452nm的激光二极管以及双边泵浦或者偏振组合技术，研究人员仍然相信能够获得50mW左右的输出功率。 博士生Peter Roth说：“掺钛蓝宝石激光器的二极管激光泵浦能够显著降低现有系统的复杂程度。因此，在不久的将来，我们只需花费现有成本和空间的一小部分，就可以获得今天这些高成本的台式掺钛蓝宝石激光器所具有的无与伦比的性能。通过复用两台现有的GaN二极管激光器（每个器件在450nm波长处的输出功率约为1W），将有望获得平均输出功率约为50W的可调谐飞秒掺钛蓝宝石激光器。该激光器可以实现从成像到光谱学的多种应用，例如作为荧光显微镜的配件。 ” 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（可见光-近红外波段）。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，虽然说飞秒激光的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 < E < 1MeV）可以加热大量离子而引发核聚变。这种惯性约束核聚变（ICF）快点火概念的最终实现将为国家安全和能源利用做出不可估量的贡献。 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 1、北大学光电子技术省级重点实验室暨光子学与光子技术研究所已开展了工业用大功率半导体激光泵浦的全固态飞秒激光器方面的研究工作。通过对激光二极管双端泵浦简单三镜折叠腔Nd：YVO4/LBO腔内双通倍频激光腔进行传输矩阵和数值计算，筛选出一组能实现低阈值、高功率、稳定性好的腔参数。特别是在腔内不加任何其它附加元件，而是通过谐振腔本身的设计来有效补偿热透镜效应。结果，当泵浦功率为22W时，获得了TEM00模振荡的最大功率4.3W的倍频绿光输出，其光—光转换效率为19.5%。并且成功地进行了对泵浦源各项技术指标要求极高的掺钛蓝宝石自锁模激光器的研究和紫外倍频光产生技术的研究，据我们所知在国内首次实现了全固态大功率飞秒（10-15秒）紫外激光器。这些都为下一步开展“全固态大功率多波长激光器”的研制和产业化创造了优越的条件。 我们所采用的全固体激光技术把激光二极管、固体激光器与非线性晶体材料紧凑地结合在一起，由于该系统中全部采用固体器件（即无液体和气体材料），可获得各种优良性能的激光输出。其主要优点是结构小型、紧凑，整体性强，密封性能好，一般具有防震和防冲击等特性，所以工作稳定、操作简单、维护方便且费用较低，配合适当技术，还可耐高温、耐湿、防水 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[1]。早期的飞秒光纤激光器，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)[3]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[4]。但是，由于铒光纤的掺杂浓度不能很高，以及锁模机制的限制，输出脉冲能量仍然很低（10pJ-10nJ量级），限制了此种光纤激光器的应用。进入新世纪后，随着高掺杂掺镱光纤激光器的发展，自相似(Self-similar)[5]和全正色散(All-normal-dispersion)[6]锁模理论被提出并在实验上获得证实，使光纤振荡器的单脉冲能量突破10nJ[7]。 与其平行的是，90年代中期光子晶体光纤的问世，使得飞秒光纤激光器多了一个选择支[8]。光子晶体光纤的主要特点是大模场面积光纤比普通的双包层光纤能更好地保持单模特性，在放大器上有重要应用。但是，光子晶体增益光纤特别是双包层大模场面积光子晶体光纤价格非常昂贵，远远高于晶体的价格；而且泵浦光的耦合需要在空间进行，对机械件稳定性能要求很高，不像普通单模光纤以及普通的双包层光纤有直接的光纤合成。进一步来说，大模场面积光子晶体光纤的可弯曲程度很差，甚至变成了光纤“棒”(Rod-type)，丧失了光纤原有的柔韧特性，反而使其体积大于同类固体激光放大器。 对于工作在1微米波段的光子晶体光纤，不同于普通的单模光纤，可以提供负色散，但也仅仅限于光纤芯径在1~2微米的光纤。在这样细的光纤中，孤子能量非常小，否则就会导致脉冲分裂，也不可能作为放大后的压缩器。由于以上缺点，除了放大器，光子晶体光纤做飞秒激光器振荡器并无明显优势。目前国内外报道的光子晶体光纤激光器，都是空间耦合的，并含有光栅对等需要空间的元件，不是低成本、抗击外部环境影响的封闭式结构。飞秒光纤激光器的低成本不是光纤本身成本低，而是半导体泵浦激光器的成本低。光纤激光器本身，无论是普通单模光纤，还是光子晶体光纤，都远比固体激光器贵。掺杂的光子晶体光纤价格更是比普通单模光纤高，比如一根大模场面积光纤“棒”的价格为数千欧元。 光纤激光器的最大优点是小型化、封闭式及无水冷。如果反过来做成空间式的，那就只有效率高这样的优点，稳定性甚至不如固体激光器。因此，作为放大器的种子光源以及对小能量应用（脉冲能量小于1mJ，例如光波导的刻划、THz波的产生、精密时频传输、纠缠光子对的产生、泵浦探针测量等），普通单模光纤飞秒激光器以及普通大模场面积光纤飞秒放大器依然发挥着不可取代的作用。著名的康奈尔大学和麻省理工学院研究小组，在光纤激光器的研究中，仍然把普通单模光纤激光器作为主要研究方向。其主要的光纤激光器创新理论和实验，都是在普通单模光纤激光器中完成的。 北京大学近两年来在863、支撑项目等课题的支持下，开展了飞秒光纤激光器的研究，取得一系列重要成果。主要成果包括：①半导体可饱和吸收镜的研制成功；②碳纳米管锁模成功；③新激光器腔型的创新；④超长腔锁模获得高能量脉冲输出成功等。 1、半导体可饱和吸收镜（SESAM）不仅是飞秒脉冲固体激光器的核心器件，也是飞秒脉冲光纤激光器的核心器件。不同的是，在固体激光器应用中，要求SESAM的调制深度比较低（1~2％）。而光纤激光器的锁模则需要20~30％甚至50％的调制深度。根据光纤激光器的需要，我们设计和制作了适合掺铒和掺镱光纤飞秒激光器锁模的SESAM。我们设计了若干调制深度的SESAM，包括镀保护膜的SESAM。对于应用于掺铒光纤激光器的SESAM，会有严重的晶格失配问题。我们用在晶格匹配的基片生长吸收层和间隔层，在其上镀介质膜和金属膜作为反射镜，然后将基片衬底腐蚀掉的技术，首次研制成功高调制深度的掺铒光纤用SESAM （图1(a)）。对于掺镱光纤飞秒激光器，由于砷化镓基片与吸收材料铟镓砷的晶格有失配，若吸收层超过临界厚度，会发生位错等缺陷，导致损伤阈值的降低。我们采用了缓冲层的，有效地抑制了由于晶格失配导致的生长缺陷以及由此导致的损伤阈值的降低（图1(b)）。为了测量其饱和恢复时间，我们设计了专用的Pump-probe装置。测量表明，我们研制的SESAM饱和恢复时间短只有不到2ps。所有SESAM都在光纤激光器上锁模成功。这标志着我国已经完全能够生产这两种激光器所需要的SESAM。      2、除了SESAM，新世纪以来，一种新型的锁模器件：单壁碳纳米管可饱和吸收器(CNT-SAM)[9]诞生并成为固体和光纤激光器的新宠。我们首先利用光学梯度力将CNT生长的光纤接头上，成功获得锁模；由于这种生长方式生长的CNT极易损坏，我们利用清华大学提供的新的单壁CNT薄膜结合在反射镜上，制成掺铒光纤激光器用的CNT-SAM，其特点是饱和恢复时间短(<2ps)，易于集成化。在掺铒光纤激光器中实验表明，用CNT-SAM的光纤激光器锁模阈值低，非常适合高重复频率和低泵浦时的应用，在光纤频率标准和时频传输方面将发挥核心作用。 3、新型光纤激光器。利用我们研制的SESAM和CNT-SAM，我们试验了各种腔型。无论是线性腔，还是环形腔，无论光纤多长，都可以用SESAM或CNT-SAM实现锁模。但是在环形腔内如何装着SESAM或CNT-SAM是个问题。不少激光器把可饱和吸收器放在光栅对后面，并用透镜聚焦在SESAM上。这样做的最大问题是，由于波长分量顺序的反转，返回光的光束变大，不能完全耦合入光纤，导致损耗和光谱滤波效应。为了把我们研制的SESAM用在环形腔光纤激光器上，并同时装有光栅对，我们发明了一种新的腔型，同时装有SESAM和光栅[10]。此谐振腔克服了在光栅对后加SESAM的光谱限制作用，既能够实现锁模自启动，又能保证锁模带宽。      4、超长腔光纤激光器。飞秒激光器的很多应用并不需要几十MHz的重复频率，最适合微细加工领域应用的是100kHz－500kHz重复频率，mJ量级的脉冲能量。为了在飞秒光纤激光器直接中获得超高能量的脉冲，我们提出了超长腔的光纤激光器的想法，这个想法与康奈尔大学研究者的想法不谋而合。我们试验了从400m到2km长的光纤谐振腔。这样的长腔全正色散激光器，即使采用全正色散光纤中必要的光谱滤波器，用非线性偏振旋转机制锁模已经非常困难。因此SESAM起了决定性作用。如此长腔的激光器，输出脉冲能量大大提高。以400m腔长的掺镱光纤激光器为例，在300mW泵浦下，输出脉冲能量高达320nJ，一次放大后脉冲能量超过4mJ [11]。而对铒光纤激光器的几十nJ的输出，一次放大就达到790nJ [12]。由于重复频率从几十MHz降低到380kHz ，已经可以直接应用于微细加工等。这种超低重复频率的激光振荡器在固体激光器中是很难实现的，而在光纤激光器中相对容易。这种激光器作为放大器的种子光源，节省了脉冲选单器（普克尔盒、声光调制器）、光纤展宽器和前级放大器等，具有非常大的应用价值。此技术已经申请了专利。    飞秒光纤激光器已经发展了近20年，仍然不断有新的概念和新的器件创出。如果没有先进的理念，没有自己的创新器件，我国在这个领域将永远处于劣势地位。某些光纤激光器国外对我国禁运就是例证。研制自己的核心元器件，并在此基础上研制自己的飞秒光纤激光器整机，不但是创新的基础，也是产业化的基础。幸运的是，北京大学研究小组已经在某些核心元器件和整机方面赶上了国际先进水平，并有所创新。我们将继续研制新型元器件和新型光纤激光器，使我国在光纤激光器领域内的竞争中占有一席之地