1、脉冲与激光脉冲

飞秒激光是脉冲宽度在飞秒（10^-15秒）量级的激光脉冲。在这一节中，我们主要介绍与飞秒激光应用密切相关的光学基础知识和产生飞秒激光的核心仪器——飞秒激光器的基本原理。我们首先回顾激光和超短脉冲激光有哪些重要特点以及如何以简单的数学表达式来描述飞秒激光脉冲，而后介绍飞秒激光器的一些最基本的参数，并着重阐述产生飞秒脉冲激光的方法、原理和相关的重要科学概念。

在科学研究中，通常我们用“脉冲”两个字来描述某一物理量发生突然变化的现象，即“脉冲”是相对于“连续”而言的。人们经常遇到的不同形式的脉冲包括声脉冲、电脉冲、光脉冲等。我们将室内的灯打开又关上，就产生了一个光脉冲（实际上，与此同时我们也产生了电脉冲和对应开关嘀嗒声的声脉冲）。我们看到的闪电是自然界产生的光脉冲。照相时，闪光灯发出的光是一个光脉冲。行驶到交通路口时红、绿、黄交通灯的交替亮灭也都对应光脉冲的产生。因此，人类生活中实际上充满了各种各样脉冲形式的光。只是这些光脉冲（或称之为脉冲光）的强弱、持续时间乃至颜色等重要特性都有所不同。在现实当中，绝对连续不变的光波是不存在的。从这一点出发我们不妨认为连续光是延续时间接近于无限长的光脉冲。

所谓激光脉冲，顾名思义是指脉冲形式的激光。如果在空间中某处对其进行观测，会发现它仅在短暂的时间内存在，这也正是脉冲的含义。对于单一的脉冲，我们可以用脉冲宽度（或简称脉宽）、脉冲形状、脉冲幅度来对其进行描述，而对多个激光脉冲（可以是接连不断的脉冲，或简称连续脉冲），其基本描述量还包括脉冲重复频率、脉冲间隔的相对抖动、脉冲幅度起伏等。一般来说，对任何脉冲信号进行量化分析时，首先需要了解的三个最为基本的物理量是：

脉冲能量ΔE：指单脉冲所包含的能量，单位是焦耳（J）。

脉冲宽度Δt：一般指脉冲的半高全宽，单位为秒（s）。

脉冲重复频率F：又称PRF（pulse repetition frequency），代表每秒脉冲数，单位为赫兹（Hz）。

由这三个物理量，可以导出脉冲的其他一些参量。例如脉冲的平均功率等于单脉冲能量乘以重复频率，即P=ΔE×F（单位为瓦特）；脉冲的峰值功率等于单脉冲能量除以脉冲宽度：p=ΔE/Δt（单位同样是瓦特）；而脉宽与重复频率之积等于脉冲的占空比：D=Δt×F，（占空比无量纲，一般用百分比来表示，显然，D≤100%）。占空比也是脉冲宽度与相邻脉冲间隔（又称脉冲周期T）之比。注意，当不同脉冲序列的平均功率接近相同时，脉冲的重复频率越高，单脉冲的能量就越低。举例来说，同样是平均功率为1W的激光脉冲，如果其脉冲重复频率为100kHz，则单脉冲能量为0. 01mJ或10mJ，而如果重复频率为1kHz，则单脉冲能量为1mJ。。

对于激光脉冲，除了脉冲能量、脉冲宽度和脉冲重复频率外，它们的基本描述量还包括中心波长和偏振态。在后面的讨论中，我们将知道，超短脉冲激光是非单一波长（或非单一频率）的激光，所以我们常常用中心波长来代表超短脉冲激光所处在的波段。根据光量子理论，光子的能量与光的频率成正比，比例系数为普朗克常数。因此，激光的波长决定了光子能量。波长越短，光的频率越高，从而光子能量就越高。与对连续激光的描述相同，激光脉冲的偏振态是由其所对应的电磁场的矢量特性决定的。简单地说，它反映了光波电场的振动方向，常见的两种最典型的光偏振态为线偏振和圆偏振。这两种偏振态都可以作为更一般形式的椭圆偏振的特例。在激光其他参数相同的情况下，物质与不同偏振态的激光脉冲的作用（包括吸收、散射、在界面处的反射、折射等）可能会有所不同。