Game changing?——飞秒激光器在向固体回归吗？
你记不记得，自己正绞尽脑汁想把固体激光器做稳的时候，别人已经在做光纤激光器了？20多年前，当钛宝石锁模激光器红遍半边天的时候，有人已经从光纤激光器中得到了小于100 fs的脉冲。
如今，相似的情景似乎再次发生：当你沉醉于光纤激光器锁模和放大，并想办法做大做强的时候，你是否注意到有人正在悄悄地回归固体激光器？
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光纤激光器的“是与非”
光纤激光器和放大器的确有一些问题，例如脉冲宽度和脉冲能量。很多人对标东欧某国的LC公司。LC激光器最大特点是，脉冲不仅短，也干净，也就是脉冲没有所谓旁瓣或者“底座”。如果有这些的话，脉冲能量就不是集中在主脉冲上，相当于飞秒脉冲叠加在皮秒或更长的脉冲上，增加了激光与材料相互作用时间。表现在材料加工上就是：脉冲能量低了，打不动；高了，会产生热影响区。
激光打孔样图。左：孔边缘热影响区范围较大；右：孔边缘完整。
为什么LC的脉冲就“干净”呢？因为他们用的是固体激光放大器。色散和非线性相移都要比光纤小很多，也好控制。
虽然人们想尽办法控制光纤放大器中的非线性相移，甚至用空间位相调制器细调，脉冲的形状依然不尽如人意。也正由于这个限制，脉冲能量很难提高。所以我们看到，做激光加工用的商用飞秒激光器，多数是固体或碟片激光器。对，除了LC，你还可以举出通快、Amplitude、Clark MXR……
固体激光器，给人的印象是结构简单，但是泵浦效率低，稳定性差，还需要水冷。有次我和一位国外的激光器大佬交谈时说，我现在做的激光器是“像固体激光器的光纤激光器”。他楞了一下说，“难道你认为固体激光器比光纤激光器好吗？”潜台词是，光纤激光器不香吗？
光纤激光器，包括飞秒光纤激光器，你一口气可以说出它很多优点，但是它的缺点也是不言而喻的。一个是脉冲能量，一个是脉冲形状。在脉冲能量要求不高的场合，这些问题都不大。但是到了100 μJ这样的量级，就有点力不从心了。你以为打孔不需要很窄的脉冲？你以为打孔不需要“干净”的时域形状？
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固体激光器到底“香不香”
那么，固体激光器靠什么回归人们的视野呢？
首先，是锁模机制。固体激光器里无论是YAG激光器倍频绿光激发的钛宝石，还是半导体激光器直接泵浦的Yb晶体，锁模机制不外乎是克尔透镜锁模和SESAM锁模，也许还可以加上比较小众的二阶非线性锁模。
克尔透镜锁模的基本原理：低强度连续光被阻挡，高强度脉冲光自聚焦。外加的聚焦光学系统使高强度光束和泵浦光完美重合。
腔内加上SESAM这样的可饱和吸收体也可以自启动。明明说好了将腔模的稳定区间和锁模这两个过程decouple，即去耦合，让锁模不再依赖于把腔调到稳区边缘。也正是这个原因，泵浦一开，激光器几乎永远锁模！始料未及的是，单从脉冲列上，你永远无法分清腔内运转的到底是皮秒还是飞秒脉冲，尽管啁啾镜或棱镜对色散补偿就在腔内。为什么？因为非线性效应依赖于腔！
相比之下，光纤激光器，无论是非线性环路镜还是非线性偏振旋转，都可以自启动锁模到飞秒，多爽！人们怎么能不弃固体而喜光纤呢。
风水轮流转。难以置信的是，当把固体激光器的重复频率增加到GHz时，克尔透镜锁模就不需要外力推动，可以自启动了！什么腔镜推动，什么SESAM，统统不需要了！神奇不？而GHz重复频率，也恰好顺应了蒸发冷却脉冲簇微加工、高采样速率双光梳光谱学和低噪声微波提取的要求。而高亮度多模泵浦整形技术，也让GHz固体锁模激光器的输出功率在3 W以上。集高重频、高功率、窄脉宽为一身的克尔透镜锁模全固态飞秒激光振荡器，你能说不香吗？
且慢！固体激光器长期稳定性缺点解决了吗？你要是看到Heriot Watt大学那个直接贴在铝板上的飞秒激光器，再看看北大的玻璃上的半光纤半固体激光器，也许你就有答案了。Laser on board, 或laser on silica，让激光腔镜直接贴在board上、玻璃上或ULE玻璃上，没有了常规的光具座，甚至没有了金属的底板，何愁这样的激光器不稳定呢。
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再说固体放大器
飞秒脉冲最有效的放大方式当属再生放大，当再生放大器的平均功率超过10 W时，热透镜效应显现。一般的水冷作用不大，腔变得不稳定，光斑质量变差。
人们早就知道，与其设法用腔的设计补偿热透镜，不如用液氮甚至液氦尽力降低放大器晶体温度。做成薄片也是降低热透镜效应的一种物理方式。增益低，那就增加腔内渡越次数。
最近人们注意到，有些激光晶体，例如YLF，有负的折射率对温度的系数。而且当光场平行于c轴时，负温度系数最大，因此可以最大程度抵消热透镜效应，以至于放大到500 W时，光斑才开始变坏。这样的放大器中，晶体即使长到3-5 cm，也依然可以承受几百瓦的腔内功率。此时的脉冲能量，已达几十mJ。当然，液氮冷却是不可缺少的。常言道，鱼和熊掌不可兼得。相比好的脉冲形状和好的微细加工质量，液氮那点钱真的不算什么。
不是我不明白，是这世界变化太快。光纤激光器，尤其是连续光光纤激光器风头正健的时候，飞秒激光器和放大器，也许正在悄悄地改变赛道，向固体回归。当你不断被飞秒光纤激光器的脉冲能量和形状困扰的时候，也许坚守固体激光器赛道的人，在前方等你。
