飞秒激光器的应用

1 飞秒激光器的基本特点

飞秒激光器的主要特点是超高速和chao强电场。飞秒激光脉冲的峰值功率非常高，一旦将这种光聚焦到很小的范围内就有可能无热影响地照射材料使其直接电离，从而产生强大的电场和磁场。飞秒激光照射在材料上时，材料对光子的吸收机理与普通激光加工时的光子吸收机理不同。

普通激光吸收(a)和飞秒激光吸收(b)过程

如图所示，在普通激光加工当中，能量低时光子则不被吸收，而飞秒激光的光子密度较大，即使单光子的能量比吸收光谱的能量小也可能被材料吸收。飞秒激光加工通过聚光透镜的聚光点产生多光子吸收，从而实现对材料内部的加工。而且飞秒激光照射时不会产生热变形和热变质等损伤，也不会对随温度升高而产生物理变化的半导体材料、脆性材料造成损伤，并可实现高精密加工。

2、飞秒激光器的应用

飞秒激光器具有广泛的应用范围，特别是在材料加工、器件制作及光通信等领域具有重要的应用。

1.飞秒激光器在材料加工中的应用 

（1）加工原理

无论是一般加工还是微加工，激光对材料加工的效果通常表现为材料结构得到一定的修复、调整或去除。飞秒激光脉冲和材料作用过程中，材料中的电子通过对入射激光的多光子非线性吸收方式获得受激能量，获得的能量仅在几个纳米厚度的吸收层上迅速聚积，聚积的时空分布取决于材料加工的需要。作用区域内的温度瞬间急剧上升，并远远超过材料的熔化和汽化温度值，使物质发生高度电离，Z终处于前所未有的高温、高压和高密度的等离子体状态。由于受辐射持续时间只有飞秒量级，远小于材料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时间，因而从根本上避免了热扩散的存在和影响。同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率，产生的光电场强度比原子内部库仑场高数倍，材料内部原有的束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀，Z终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形式得到去除，实现了激光对材料的非热熔性加工，从而达到精密加工的目的。 

（2）材料加工中的应用

飞秒激光以其独特的超短持续时间和chao强峰值功率开创了材料超精细、低损伤和空间三维加工处理的新领域，而且应用越来越广泛。

对金属材料的加工应用。对一般金属来说，由于具有很高的热导性和较高的熔点温度，在其表面实现高精度和高质量的钻孔和切割有很大的困难。用传统的红外波长激光切割不锈钢板料，边缘凹凸不平，表面有溶渣，这是因为材料去除是通过熔化和蒸发获得的。由于汽化过程的反冲压力，导致了液相材料的向外膨胀，从而造成环绕加工位置边缘“冠状物”的存在，因而大大降低了加工质量和清洁度。而用飞秒激光切割，切缝的边缘整齐，金属表面没有材料熔化的痕迹。飞秒激光精密成形技术已在汽车发动机喷油嘴的成形生产中得到了应用，用飞秒激光精密成形微孔技术已替代了原先电火花加工工艺，孔的清洁度得到大大提高。

对非金属材料的加工应用。对非金属材料加工中使用纳秒级脉冲时， 由于热扩散，在照射区的外侧会形成熔融相，因此用它加工石英和玻璃等光学材料时的一个大问题就是由于熔融相造成的热应力将会在加工小孔的周围产生裂缝。传统的红外波长的激光对大多数透明的玻璃甚至根本无法加工，飞秒激光的出现，使这一问题得到了很好的解决。

对透明材料的加工应用。在透明材料中的应用主要指制造光纤通信器件。用飞秒激光器可以在工件内部进行加工，而且不损伤材料表面，因此可以通过改变晶体的折射率，实现透明晶体内部形成光波导或在光纤内实现折射，并且可以实现三维激光存储。此外还可以对光子晶体、蓝宝石、金刚石、水晶等进行加工制作。

对半导体材料的加工应用。传统的半导体材料加工是采用激光照射，利用材料的应变，并以热变质的方式达到实用化。而采用飞秒激光器加工材料不仅使材料表面几乎没有热变质层，而且也避免了由热变质引起的材料损伤，可以实现微米级的加工。

对聚合复合物材料的加工应用。传统的激光加工方法依赖于单光子线性吸收机制，加工精度较低，空间加工能力差。而超高峰值强度的飞秒激光为加工这类材料提供了必要条件。飞秒激光还可用于切割分离一些高爆危险物品，这是因为飞秒激光脉冲作用过程中等离子体的形成和材料的去除均非常快速，以至于没有过多的能量传递给剩余材料，没有任何化学反应痕迹，使得其加工处理过程中的安全性大大增加。

对薄膜材料的加工应用。光掩膜是微(光)电子制备工业的支柱，成本极高。光掩膜是由光刻工艺制备的，但由于结构极其复杂，且为多步工艺，经常存在缺陷需要修改。修改光掩膜要求：(1)不能损伤衬底材料;(2)不能影响修改位置周围区域膜层的质量，并且不能有残渣形成;(3)不能影响修改位置衬底的透明度;(4)修改方法应能除去Z小尺度的缺陷。因此就显露出飞秒激光掩膜修改的优势条件。

基于多光子吸收和电离基础上的飞秒激光加工，是一种“冷”的精确切割工具。它不仅可以使机械加工得到前所未有的超高精度和清洁度，同时还能够实现传统激光无法应付的超导体、半导体及陶瓷等多种特殊材料进行表面加工处理和内部结构修复操作。在材料加工方面，飞秒激光器主要在微加工方面具有其独特的应用。 

2.飞秒激光器在光通信中的应用

能否实现光纤通信的一个关键问题就是光纤的光强损耗能否降低到10Db/km以下，如果损耗过大，光纤通信就没有实际意义。而且在新一代光通信网络中，光子节点结构的设计是一个关键问题。光子节点需要用到各种各样的光开关，实现光信息系统中大容量信息在网络光路中高速分组切换与选择吸收。这些光开关的动作必须由光子来触发，因为其开关时间要求达到100fs的量级，用电子的方法不可能达到这样的速度。飞秒激光由于其高光强、高频率、相干性好等特殊性，使得它在光纤通信应用方面占有了的优势。

半导体器件是光通信中的重要部分，目前光通信的通信码率已经达到了20Gbit/s以上。虽光纤通信的容量很大，但超高速的通信码率受到光电子器件材料的响应时间的限制，不能适应超高速光通信的需要。我们可以利用飞秒激光相干控制技术达到这一需求。在这一技术中，利用两个相干的飞秒脉冲激发半导体器件，diyi个脉冲在器件中产生相干性好的载子布居，然后调节第二个脉冲的相位，利用两光脉冲的相干实现开关作用。这样便能解决因材料本征能级寿命较长造成的关断变慢的限制，开与关的时间取决与两个飞秒脉冲的时间间隔因而可以做得更快，Z终能达到的速度只受量子力学原理限制。波分复用、时分复用和光孤子通信是实现高速光纤通信的主要手段。

3.飞秒激光器在科学技术研究中的应用

近年来，由于chao强电磁场的出现，使利用微扰论无法处理的现象可能得到解决。在激光电磁场中，当聚光波长为1μm光强达到 1018 W/cm2时，电子能量为100keV，而电磁场中的振动速度接近光速。当光强超过这一数值时，在电子能量增加的同时，质量也随之增大。原子和分子处于高强度的激光电磁场中，容易丢失电子而形成离子。在强电场中施加飞秒时间，苯或二氧芑这样的分子将发生不改变形状的离子化。在更强的电场中，电子瞬时被捕获，剩余的同性离子因库仑力而排斥，这种现象被称为库仑爆炸。

在高能物理及核物理方面，飞秒脉冲chao强电场的应用备受关注。如前所述，这种chao强电场能够非常容易地产生相对电子并能对原子和分子直接加工。用超过1020 W/cm2的光强照射目标时，能够获得高于10MeV能量的电子，随之还产生高亮度的γ射线。如果高能电子与谐波chao强脉冲相互作用，则会产生高谐波的康普顿散射现象，并产生具有数GeV能量的光子。用低强度的飞秒激光脉冲照射光电阴极将产生飞秒电子脉冲，这种脉冲将成为高亮度电子源。当激光强度达到太瓦级时，则很容易产生非线性现象。在1个大气压的气体中，飞秒激光能自动地改变折射率，由于位相的变化而产生相干白光，利用这一现象可进行大气观测和气溶胶的测量。利用飞秒激光的超高速性能可形成物质的非正常单一量子状态，而且分子的运动可用光直接控制。在数十飞秒的脉冲内，光电场只有几个周期，因此控制脉冲内电场的位相就能控制原子和分子的反应。

4.飞秒激光器在化学、生物和YL中的应用 

近年来，用飞秒激光控制化学反应过程和产物是化学反应动力学过程研究的新进展，而在生物学研究中主要集中在细菌绿素光合作用反应ZX和视红质天线分子的电荷迁移和能量弛豫动力过程。超短脉冲可能的高时间分辨对化学和生物化学动力学研究是吸引人的。光合作用之类的反应，其diyi步首先涉及溶剂化过程, 这个过程发生于100fs时间尺度上，分子键也可在100fs时间尺度上形成和断裂。为了观测动力学过程, 探测脉冲必须短得多，10fs持续时间是非常合适的脉宽。在短时间尺度上, 人们实际可看清脉冲的周期并通过用标准波形对电子的辐照来控制电子，这种操纵可用于控制化学反应、原子过程或X射线的产生。在生物领域，科学家们去开展关于制造基因、蛋白质分析用的微型芯片的应用研究。 

5.飞秒激光器在YL中的应用

飞秒激光器已经广泛永远于眼科、手术外科、脑神经外科等YL领域，并且取得了初步成果。应用飞秒脉冲技术对糖尿病引起的青光眼或斑疹水肿之类的视网膜疾病的诊断和监视特别有希望, 原因是它可以测量这种疾病的发展进程。在较长脉冲情况下, 烧蚀阈值存在较多不确定因素, 在能量过剩情况下,较长脉冲具有烧坏周围区域的危险。在几百飞秒状态下, 激光脉冲可以调节, 从而避免了间接损伤。飞秒激光的热影响很小，用它做手术刀不会损伤周围的其他组织，对于心肌梗塞、脊髓手术、近视矫正手术，飞秒激光将是理想的选择。用飞秒激光照射人的角膜，可以进行比ArF准分子激光更细微的视力矫正手术。利用激光的吸收性可以ZL龋齿而几乎没有疼痛。此外，飞秒激光还可对细胞进行操控。用显微镜把飞秒激光会聚成微小光点，利用激光产生的冲击波将分裂的细胞分离开的实验已经取得了成功。