飛秒激光

飛秒（英語為 femto second，簡寫為 fs），是度量時間長短的一種計量單位。飛秒這個單位非常的小，1 飛秒1秒的一千萬億分之一。即使是自然界中速度最快的光速（30 萬千米/秒），在 1 飛秒內，也只能走 0.3μm，這個距離甚至不到一根頭髮絲的百分之一。

飛秒激光具有以下幾個特點：首先是飛秒激光持續的時間及其短，只有幾個飛秒，它比利用電子學方法所獲得的最短脈衝還要短几千倍，是人類目前在實驗條件下所能獲得的最短脈衝；其次是飛秒激光具有非常高的瞬時功率，可以達到百萬億瓦，比目前全世界發電總功率還要多出上百倍；再次是飛秒激光能聚焦到比頭髮的直徑還要小的空間區域內，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高出數倍，而其中許多的極端物理條件是地球上所不存在的，以及用其他的方法也不可能得到的。由於飛秒激光的峰值功率超高，經過聚焦后，其光強能達到 1022W/cm2量級。這樣的強度遠超過原子內部相互作用庫倫場，所以，飛秒激光脈衝能輕易將電子脫離原子的束縛，形成等離子體。例如，氫原子的庫倫場強為 5×1011V/m，而 1m J 的飛秒激光脈衝經過聚焦后，能達到 1012V/m 量級，所以能使氫原子電離。

飛秒激光技術隨著科技的進步，不斷的發展，其脈寬越來越短，脈衝的峰值功率越來越大。

自1960年第一台紅寶石激光器問世以來，縮短激光脈衝便成為激光器設計和製作的重要發展方向。為了縮短激光脈衝，在20世紀60年代末到70年代初提出激光鎖模技術，飛秒激光的產生便來源於該技術。

1974 年，E.P.Ippen 等人發明了腔外光柵對壓縮技術，通過染料激光器第一次獲得了飛秒激光脈衝。

1981 年，R.L.Fork 等人通過碰撞脈衝鎖模技術，通過染料激光器獲得了 90fs的激光脈衝。

但是，染料激光器結構複雜，需要染料循環系統，且其增益帶寬狹窄，只能在實驗室的條件下研究，不能廣泛應用，所以在固體激光器特別是鈦寶石晶體激光器出現后，迅速的淘汰了。

1983年，D. E. Spence 等人發明了自鎖模技術，也稱克爾透鏡鎖模，這種技術的特點是不需要附加脈衝鎖模。

1981年美國爾實驗室的人首次利用碰撞鎖模技術（在環形染料激光器中得到了脈寬僅的超短激光脈衝。1985年該實驗室的人在激光腔內引入可補償腔內群速彌散的四稜鏡結構，得到的超短激光脈衝，大大推動了超短脈衝技術的發展。

1985年，Strickland 和 Mourou 提出了啁啾脈衝放大理論，為飛秒激光器的發展奠定理論基礎。

1989年，P. N. Kea 等人發明了耦合腔鎖模技術，也稱為附加脈衝鎖模，並獲得了數百飛秒的激光脈衝。

1991年，D. E. Spence 等人又利用自鎖模技術，以摻鈦藍寶石為增益介質，獲得了60飛秒的激光脈衝，這被看成是人類歷史上第一束真正意義上的飛秒激光脈衝。同年，A.Sullivan 等人獲得了100fs，峰值功率為3TW 的激光脈衝。以鈦寶石晶體作為增益介質的激光器，其優點是結構簡單、性能穩定、工作壽命長，而且其峰值功率高，能夠調諧的範圍大，能夠廣泛應用。所以迅速取代了染料激光器的地位，迅猛的發展起來。

1993年，M.T.Aaki 等人用摻鈦藍寶石激光自鎖模技術，得到了11fs 的激光脈衝，同樣美國華盛頓州立大學和奧地利維也納大學獲得了10fs 的激光脈衝。

1996年，C.P.J.Barry 等採用再生放大脈衝整形和高階色散補償技術，獲得了脈寬 18 fs，4.4TW 的峰值功率脈衝輸出。

1997年，U.Keller 等人利用啁啾技術與稜鏡結合的方式獲得了6.5fs 的激光脈衝。同年，Stuart 等利用釹玻璃放大器，獲得了395fs，峰值功率125TW 的激光脈衝。1999年，Perry 等改進了釹玻璃放大器，獲得了440fs，峰值超過1.5PW 的激光脈衝。

2004年，日本北海道大學研究小組利用光纖對啁啾放大系統輸出的脈衝光譜進行展寬后再進行壓縮，獲得了脈寬為2.8fs 的飛秒激光脈衝。同年，國內中科院上海光機所用自己的生產的鈦寶石晶體，成功獲得了36fs，峰值功率120TW 的激光脈衝。

在近年的研究中，奧地利維也納大學、加拿大國家研究中心和德國比利菲爾德大學的研究人員利用強場高次諧波的技術，成功獲得了650埃秒（as）激光脈 4沖。這使激光的發展跨出了飛躍的一步。由於飛秒激光自身的特點，脈衝短，能量高，峰值功率大，其在應用方面有著廣闊的前景。飛秒激光技術已經廣泛的應用於環境、信息、醫療、國防、工業等各個領域。

飛秒激光是一種以脈衝形式運轉的激光，持續時間非常短，只有幾個飛秒，一飛秒就是10的負15次方秒，也就是1/1000萬億秒，它比利用電子學方法所獲得的最短脈衝要短几千倍。這是飛秒激光的第一個特點。飛秒激光的第二個特點是具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，比全世界發電總功率還要多出百倍。飛秒激光的第三個特點是，它能聚焦到比頭髮的直徑還要小的空間區域，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數倍。

飛秒激光有什麼用途呢？眾所周知，物質是由分子和原子組成的，但是它們不是靜止的，都在快速地運動著，這是微觀物質的一個非常重要的基本屬性。飛秒激光的出現使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運動過程。基於這些科學上的發現，飛秒激光在物理學、生物學、化學控制反應、光通訊等領域中得到了廣泛應用。特別值得提出的是，由於飛秒激光具有快速和高解析度特性，它在病變早期診斷、醫學成象和生物活體檢測、外科醫療及超小型衛星的製造上都有其獨特的優點和不可替代的作用。

在微加工領域，由於其對材料周圍影響極小，能安全的切割，打孔、雕刻，甚至應用於集成電路的光刻工藝中。在國防領域，飛秒激光應用在安全切割高爆炸藥，拆除廢舊退役的火箭，炮彈等。在醫學領域，飛秒激光像一把精密的手術刀，用於治療近視，美容等方面。在生物學領域，飛秒激光轟擊細胞 DNA，使其發生突變，用於研究基因變化的各種影響。在環境領域，飛秒激光 LIBS 技術測量大氣污染成分，檢測環境污染水平。在科研領域，飛秒激光更是無處不在。隨著飛秒激光技術的發展，飛秒激光能在更多領域獲得更多的應用。

物質在高強度飛秒激光的作用下會出現非常奇特的現象：氣態、液態、固態的物質瞬息間變成了等離子體。這種等離子體可以輻射出各種波長的射線的激光。高功率飛秒激光與電子束碰撞能夠產生硬X射線飛秒激光，產生β射線激光，產生正負電子對。

高功率飛秒激光在醫學、超精細微加工、高密度信息儲存和記錄方面都有著很好的發展前景。高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿，從而製造放電通道，實現人工引雷，避免飛機、火箭、發電廠因天然雷擊而造成的災難性破壞。利用飛秒激光能夠非常有效地加速電子，使加速器的規模得到上千倍的壓縮。高功率飛秒激光與物質相互作用，能夠產生足夠數量的中子，實現激光受控核聚變的快速點火。從而為人類實現新一代能源開闢一條嶄新的途徑。

1、飛秒激光是我們人類目前在實驗條件下能夠獲得的最短脈衝，它的精確度是± 5 微米;

2、飛秒激光有非常高的瞬間功率，它的瞬間功率可達百萬億瓦，比全世界的發電總功率還要多出上百倍;

3、物質在飛秒激光的作用下會產生非常奇特的現象，氣態的物質、液態的物質、固態的物質瞬間都會變成等離子體;

4、飛秒激光具有精確的靶向聚焦定位特點，能夠聚焦到比頭髮的直徑還要小的多的超細微空間區域;

5、用飛秒激光進行手術，沒有熱效應和衝擊波，在整個光程中都不會有組織損傷。

與傳統連續激光以及長脈寬（納秒，皮秒激光相比，飛秒激光加工材料具有如下特點：

峰值功率高，容易引起材料的解離。以光譜公司生產的具有再生放大系統的鈦寶石飛秒激光器為例，其脈寬為，重複頻率為單脈衝能量為，其激光脈衝峰值可達的量級。採用多級啁啾脈衝放大技術獲得的飛秒激光脈衝峰值功率已經達到了量級。較強的飛秒激光與材料相互作用時，材料能夠在數百飛秒的時間內發生解離。

熱效應小，加工精度高，在材料精密加工方面有獨特的優勢。激光與物質相互作用時，熱效應的大小與激光的脈寬之間關係極為密切。一般來說，激光作用到材料上，能量首先被激發的電子吸收，再通過電子晶格散射的作用將能量傳遞給晶格，通常這個過程的時間尺度在幾十個皮秒，之後熱量在晶格之間傳遞，使得周圍晶格溫度升高，引起材料的相變焰化和氣化。對於納秒激光來說，由於其脈衝寬度遠大於電子晶格散射的時間，在脈衝作用的過程中，能量有足夠的時間由電子傳遞給晶格，並在晶格之間擴散，使得晶格溫度逐漸升高發生溶化和氣化。與之所不同的是，飛秒激光器產生的脈衝，其脈寬在甚至更短，此時脈衝的作用時間遠小於電子晶格散射的時間，激光脈衝作用完成時能量來不及傳遞給晶格，此時的晶格是“冷”的。飛秒激光引起的材料解離發生在幾個皮秒的時間內，引起的材料解離過程比較複雜，針對不同的材料解離機制主要有庫倫爆炸和相爆炸兩種。而皮秒脈衝激光與材料相互作用時，產生的熱效應影響介於納秒激光和飛秒激光之間。

應用範圍廣。現代研究己經將飛秒激光加工應用於眾多固體材料，範圍涵蓋金屬，半導體，電介質以及聚合物等等。而且，飛秒激光器的發展也頗為迅速，波段覆蓋射線到近紅外，脈寬從數個飛秒到數百飛秒，能夠滿足各種材料的加工需求。特別是最近幾年，飛秒激光器趨於小型化、集成化，輸出的激光功率更加穩定可靠，這使得飛秒激光器成功地從實驗室走向了工廠。