文/LFW

对于飞秒和阿秒激光而言，一些人会说，激光脉冲能量越高越好。然而，许多研究人员都遇到过这种令人烦恼的情况：当激光脉冲能量很高的时候，电源就会报警，但测得的信号仍然很微弱。所以，在条件允许的情况下，追求高脉冲能量确实是一种选择；但是考虑到近年来激光技术的发展状况，一味追求高脉冲能量，真的是一种明智的选择吗？

对于某些应用而言，确实需要高脉冲能量，例如真空极化、核聚变，或者二次辐射产生。因此只要条件允许，可以购买高脉冲能量的激光器。

然而，在许多研究领域，仅仅追求高脉冲能量往往弊大于利。而将能量分散到多个脉冲上，提高重复频率，可以获得相同或更高的平均功率。本文主要介绍一些应用选择平均功率高、单脉冲能量中等的高能激光系统的原因，以及该系统的一些应用案例。

原因一：输出稳定性高

过去10年或20年里出现的固态飞秒激光系统，远远优于上世纪末开发的第一个啁啾脉冲放大（CPA）系统。现在的飞秒激光器输出功率为几十瓦，单脉冲能量约为1mJ，重复频率从单脉冲可以到几兆赫兹。由半导体激光阵列泵浦，加上巧妙的光学设计，典型的Yb:KGW CPA激光系统拥有卓越的稳定性能。紧凑型设计使其占地面积小，同时也降低了对机械振动的敏感性，水冷外壳设计降低了环境温度变化带来的影响。

飞秒激光器的泵浦能量并不是由单个半导体激光器提供的，而是由几十个半导体激光器组成的阵列提供的，因此每个半导体激光器的稳定性对整个泵浦光的稳定性影响较小。最为重要的是，随着激光重复频率的增加，当相邻脉冲的时间间隔小于激活介质的激光跃迁寿命时（Yb: KGW增益介质的激光跃迁寿命为600µs，对应的重复频率为1.6kHz），激光增益介质开始作为一个低通滤波器，能够消除由泵浦光引起的不稳定性。因此，高重复频率的激光系统具有很高的功率和能量稳定性（见图1）。

图1：重复频率为200kHz、最大输出功率为20W的飞秒激光器，具有很高的功率和能量稳定性。激光器连续工作12小时其功率均方根差为0.15%，因此其功率波动曲线几乎就是一条水平线（a）（b）。激光器10分钟工作时段内脉冲的能量稳定性更好，均方根差可达0.07%（c）。

Power：功率W

Power trace here:功率跟踪线

Time （hours）：时间（小时）

Pulse energy：脉冲能量（μJ）

原因二：多数实验需要多脉冲

实验数据测量一般需要求平均值。如果这些信号光子是以巨大但不频繁的爆炸形式出现，或以小水滴的形式一个接一个地撞击探测器，都不会影响测量结果。例如，在测试时间内（1s），收集了同样数量的光子，最终的结果（其他因素相同）也就相同。

当然，实验测量往往并非如此简单。信号测量可能有一个能量阈值，除非信号光能够超过阈值，否则测量将受到影响。高重复频率的飞秒激光能量能够达到1mJ甚至更高，这是20年前钛宝石CPA飞秒激光系统的典型输出能量。如此高能量的激光脉冲在紧聚焦时，足以在空气中产生等离子体（见图2）。因此，一台Yb:KGW CPA飞秒激光系统相当于由10-50个钛宝石激光系统组成，而每一个子激光系统都比旧系统稳定10倍以上。

图2：重复频率100kHz、单脉冲能量400µJ的Yb:KGW激光诱导空气击穿。（黄色箭头指示的小亮点代表空气击穿位置；背景屏幕上的大白点是在空气中产生的白光超连续谱）

原因三：多数实验并不需要使用所有可用的脉冲能量

选择高重复频率激光系统的最大原因是：在大多数情况下，实验条件并不允许人们使用所有可用的脉冲能量。本节主要介绍飞秒激光在不同领域的应用案例。

（1）非线性光学

激光器的发明催生了非线性光学。当光的电场强度与电子-原子核之间的库仑引力相抗衡的条件下，开始产生复杂的非线性光学效应，会诱导新的激光频率产生以及奇特的空间特性。[2,3]非线性光学效应发生在一定的光强范围内，例如凝聚态实验中，非线性光学效应产生对应的脉冲能量在微焦量级。

将飞秒激光聚焦到透明介质中，会产生宽带相干辐射，即白光超连续谱，这也是非线性光学的一个典型应用案列（见图3）。在块状透明介质中产生白光超连续光谱的阈值通常为1~50µJ，具体取决于激光波长和介质属性。

图3：（a）1kHz和（b）100kHz的飞秒激光在蓝宝石中产生白光超连续谱。（相机拍摄参数相同，100kHz飞秒激光产生的超连续谱的强度明显高于1kHz激光产生的强度。如果增加1kHz激光的脉冲能量，在达到相同的超连续谱强度之前，蓝宝石晶体早已达到损伤阈值。）

当激光单脉冲能量超过阈值大约3倍时，白光超连续谱不再明显：激光束会分解成多个细丝，或者介质发生光学损伤。这就意味着几乎所有超过阈值的脉冲能量都是不可用的。因此，为了提高超连续谱的产生效率，应该选择合适的脉冲能量。

此外，白光超连续谱的激光能量依赖性，对飞秒瞬态吸收光谱也有重要的指导意义。在生物物理、物理化学、光电和半导体物理等领域的飞秒激光泵浦探测实验中，研究人员经常选择白光超连续谱作为探测光源。飞秒激光泵浦探测实验中使用了两束激光脉冲，一束激发样品，另一束在第一束激光脉冲后以可控的延迟到达，测量由于激光作用引起的样品透射率的变化。

作为优异的探测光源，白光超连续光谱非常稳定，且易于生成，覆盖了多个光谱波段，可以探测材料中的不同跃迁。由于泵浦探测实验测量的是样品激发透射率与非激发透射率的比值，因此探测光的光子数越多，灵敏度就越高（探测光小于1000个光子时，不可能检测到1/1000的透射率变化）。由于白光超连续光谱每秒输出的光子数是重复频率的线性函数，因此重复频率越高，噪声对实验的影响就越小（见图4）。

图4：重复频率为1kHz与64kHz的激光用于泵浦探测实验时，在产生的信号光强度相同的条件下，测得的瞬态吸收对比图。

Difference absorption：吸收差异（mOD）

Wavelength：波长（nm）

（2）二次辐射产生

与非线性效应类似，二次辐射产生对激发光的单脉冲能量也有一定要求。Baguckis等人将千赫兹Yb:KGW激光作用在铜靶上产生X射线。[4]结果表明，当激光的单脉冲能量在200µJ范围内时，产生的X射线亮度与激光重复频率成线性关系（见图5）。

图5：千赫兹激光作用在铜靶上产生X射线，X射线通量随激光重复频率的变化关系图。

尺寸只有鞋盒大小的20W激光器产生的X射线亮度，可与脉冲能量为毫焦级的钛宝石CPA激光系统产生的X射线亮度相媲美。在现有的技术条件下，提高200µJ飞秒激光器的重复频率，比提高10mJ激光器的重复频率要简单得多。因此，桌面化的X射线产生可以达到更高的重复频率。

（3）时间分辨光谱

飞秒级时间分辨光谱可用于分析光合色素-蛋白质复合物、[5]光受体蛋白、[6]太阳能电池及其组分、[7,8]发光器件[9]和其他光敏分子化合物。[10]时间分辨光谱实验大多使用连续光照明，即光子一个接一个到达，而不是像飞秒激光脉冲一样，光子输出是一阵一阵的。理想情况下，人们会用所需的光线类型来照明，使其发挥作用。然而，如果需要飞秒级时间分辨率，就只能退而求其次使用低能量脉冲。此外，高重复率有助于积累足够的信号，因此高重复频率低脉冲能量的飞秒激光就派上用场了。

捕光色素复合体的光合作用依赖于光强的说法其实并不准确。20世纪70年代末和80年代初，几个研究小组利用激光研究紫色细菌色素体的激发态动力学。令人迷惑的是，不同的研究小组测得的激发态寿命都不一样。最后发现他们看到的只是激发态的非线性湮灭。[11]

图6a是两种激发态在同一叶绿素色素上相遇时，产生一个较高的激发态的过程。由于这个过程几乎是瞬间衰减的（~ 100fs），因此两种激发态相遇的最终结果是激发态数量减1。在大型捕光系统中，激光激发的激发态越多，两种激发态的相遇机率就越大，因此，初始信号的衰减就越快（见图6b）。[12]但这种有意思的现象只在激发光强度很高的情况下才会发生，自然光下不会出现这种现象。因此，为了研究自然光激发下的光捕获作用，实验需要在极小的激发能量下进行。因此可以使用高重复频率、低脉冲能量的飞秒激光。

图6：（a）分子化合物中激发态的湮灭。当两个激发态在同一分子上相遇时，会产生一个更高的激发态，由于这个变化过程时间持续很短，因此最终只剩下一个激发态。（b）光合细菌捕光色素复合体（Fenna-Matthews-Olson 蛋白），在不同激发能量下的瞬态吸收信号衰减图。[12]

Enery: 能量

Delay：延迟（ps）

Intensity：强度

（4）单粒子探测

在实验中，往往是检测方案限制了激发能量，而不是激光本身或者目标样品。在许多探测方案中，只能检测到单个粒子（光子、电子、离子）。例如，应用最广泛的X射线光谱仪，就是通过检测单个X射线光子激发半导体中的电荷来工作的。如果同一激光脉冲的两个光子同时击中探测器，光谱仪将错误地显示为一个两倍的光子能量峰（见图7）。同样，如果光与物质相互作用的产物是光电子（如X射线光电子能谱），因此需要一个激光脉冲只产生一个电子。如果多个电子进入分析仪，它们的库仑斥力会使测量的能量值失真。

图7：单脉冲能量为400µJ的激光脉冲与铜靶作用产生X射线谱。当探测器计数率接近激光重复频率时，会在检测到的光子的两倍和三倍能量处，产生不存在的峰值。

在单粒子检测实验中，激光重复频率越高，探测器计数就越快。一个典型的频谱或衰减曲线，需要10000次左右的计数来对抗细微的噪声。当以1kHz重复频率计数时，需要10s来测量一条曲线。而用100kHz时，每秒则可以测量10条曲线。也就是说，将重复频率从1kHz提高到100kHz，测量时间就会从10小时缩减到6分钟。因此，高重复频率激光在单粒子检测实验中特别有优势。

总结

现代千赫兹固态飞秒激光器，具有脉冲能量高、重复频率高的双重优势。其脉冲能量足以产生所有的非线性光学现象，而高重复频率能大大提高工作效率，是传统的1kHz CPA激光系统工作效率的10-100倍。高重复频率的激光系统大大提高了二次辐射的亮度，突破了样品或检测系统的限制。此外，高重复频率的激光系统也比高能量激光更稳定，因此成为了现代光谱学、显微镜学、非线性光学和激光物理研究的首选工具。

参考文献

1. See lightcon.com/product/pharos.html.

2. A. Dubietis et al., Phys. Rev. Lett., 92, 25 (2004).

3. D. Faccio et al., Phys. Rev. Lett., 96, 19 (2006).

4. A. Baguckis et al., Appl. Phys. B: Lasers Opt., 123, 12 (2017).

5. R. Berera, R. van Grondelle, and J. T. M. Kennis, Photosyn. Res., 101, 2–3, 105–118 (2009).

6. J. T. M. Kennis and M. L. Groot, Curr. Opin. Struct. Biol., 17, 5, 623–630 (2007).

7. T. M. Clarke and J. R. Durrant, Chem. Rev., 110, 11, 6736–6767 (2010).

8. O. E. Semonin et al., Science, 334, 6062, 1530–1533 (2011).

9. F. Liu et al., ACS Nano, 11, 10, 10373–10383 (2017).

10. N. P. Ernsting and T. Arthenengeland, J. Phys. Chem., 95, 14, 5502–5509 (1991).

11. L. Valkunas, V. Liuolia, and A. Freiberg, Photosyn. Res., 27, 2, 83–95 (1991).

12. V. Gulbinas et al., J. Phys. Chem., 100, 45, 17950–17956 (1996).