飛秒激光及其應用

　　飛秒激光是過(guò)去20年間由激光科學(xué)發(fā)展起來(lái)的最強有力的新工具之一。飛秒脈沖是如此的短，目前已經(jīng)達到了4fs以?xún)取?飛秒（fs） ,即10-15s ,僅僅是1千萬(wàn)億分之一秒，如果將10fs作為幾何平均來(lái)衡量宇宙，其壽命僅不過(guò)1min而已；飛秒脈沖又是如此之強，采用多級啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)獲得的最大脈沖峰值功率可達到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量級，其可聚焦強度比將太陽(yáng)輻射到地球上的全部光聚焦成針尖般大小后的能量密度還要高。飛秒激光完全是人類(lèi)創(chuàng )造的奇跡?！　?/P>

　　近二十年來(lái)，從染料激光器到克爾透鏡鎖模的鈦寶石飛秒激光器，以及后來(lái)的二極管泵浦的全固態(tài)飛秒激光器和飛秒光纖激光器，雖然說(shuō)脈沖寬度和能量的記錄在不斷刷新，但最大進(jìn)展莫過(guò)于獲得超飛秒脈沖變得輕而易舉了。桑迪亞國家實(shí)驗室的R.Trebino說(shuō):“過(guò)去10年中, （超快）技術(shù)已有顯著(zhù)改善, 鈦藍寶石激光器和現在的光纖激光器正在使這種(飛秒) 激光器的運轉變得簡(jiǎn)潔和穩定。這種激光器現在人們已可買(mǎi)到, 而10年前, 你卻必須自己建立?！北热?，著(zhù)名的飛秒激光系統生產(chǎn)商美國Clark-MXR公司將產(chǎn)生高功率飛秒脈沖的所有部件全部集成到一個(gè)箱子里，采用摻鉺光纖飛秒激光器作為種子源，加上無(wú)需調整（NO Tweak）的特殊設計，形成了世界上獨一無(wú)二，超穩定、超緊湊的CPA2000系列鈦寶石啁啾脈沖放大系統。這種商品化的系統不需要飛秒專(zhuān)家來(lái)操作，完全可以廣泛應用于科研和工業(yè)上的許多領(lǐng)域里?！　?/P>

　　根據飛秒激光超短和超強的特點(diǎn)，大體上可以將應用研究領(lǐng)域分成超快瞬態(tài)現象的研究和超強現象的研究。它們都是隨著(zhù)激光脈沖寬度的縮短和脈沖能量的增加而不斷的得以深入和發(fā)展。

　　飛秒脈沖激光的最直接應用是人們利用它作為光源, 形成多種時(shí)間分辨光譜技術(shù)和泵浦/探測技術(shù)。它的發(fā)展直接帶動(dòng)物理、化學(xué)、生物、材料與信息科學(xué)的研究進(jìn)入微觀(guān)超快過(guò)程領(lǐng)域, 并開(kāi)創(chuàng )了一些全新的研究領(lǐng)域, 如飛秒化學(xué)、量子控制化學(xué)、半導體相干光譜等。飛秒脈沖激光與納米顯微術(shù)的結合, 使人們可以研究半導體的納米結構(量子線(xiàn)、量子點(diǎn)和納米晶體)中的載流子動(dòng)力學(xué)。在生物學(xué)方面,人們正在利用飛秒激光技術(shù)所提供的差異吸收光譜、泵浦/ 探測技術(shù), 研究光合作用反應中心的傳能、轉能與電荷分離過(guò)程。超短脈沖激光還被應用于信息的傳輸、處理與存貯方面。

　　第一臺利用啁啾脈沖放大技術(shù)實(shí)現的臺式太瓦激光的成功運轉始于1988年，這一成果標志著(zhù)在實(shí)驗室內飛秒超強及超高強光物理研究的開(kāi)始。在這一領(lǐng)域研究中，由于超短激光場(chǎng)的作用已相當于或者大大超過(guò)原子中電子所受到的束縛場(chǎng)，微擾論已不能成立，新的理論處理有待于發(fā)展。在1020W/ cm2的光強下，可以實(shí)現模擬天體物理現象的研究。1019-1021W/ cm2的超高強激光產(chǎn)生的熱電子（200keVE1MeV）可以加熱大量離子而引發(fā)核聚變。這種慣性約束核聚變（ICF）快點(diǎn)火概念的最終實(shí)現將為國家安全和能源利用做出不可估量的貢獻。

　　飛秒激光的另一個(gè)重要的應用就是微精細加工。通常，按激光脈沖標準來(lái)說(shuō)，持續時(shí)間大于10皮秒（相當于熱傳導時(shí)間）的激光脈沖屬于長(cháng)脈沖，用它來(lái)加工材料，由于熱效應使周?chē)牧习l(fā)生變化，從而影響加工精度。而脈沖寬度只有幾千萬(wàn)億分之一秒的飛秒激光脈沖則擁有獨特的材料加工特性，如加工孔徑的熔融區很小或者沒(méi)有；可以實(shí)現多種材料，如金屬、半導體、透明材料內部甚至生物組織等的微機械加工、雕刻；加工區域可以小于聚焦尺寸，突破衍射極限等等。一些汽車(chē)制造廠(chǎng)和重型設備加工廠(chǎng)目前正研究用飛秒激光加工更好的發(fā)動(dòng)機噴油嘴。使用超短脈沖激光，可在金屬上打出幾百納米寬的小孔。在最近于奧蘭多舉行的美國光學(xué)學(xué)會(huì )會(huì )議上，IBM公司的海特說(shuō)，IBM已將一種飛秒激光系統用于大規模集成電路芯片的光刻工藝中。用飛秒激光進(jìn)行切割，幾乎沒(méi)有熱傳遞。美國勞倫斯?利弗莫爾國家實(shí)驗室的研究人員發(fā)現，這種激光束能安全地切割高爆炸藥。該實(shí)驗室的洛斯克說(shuō)：“飛秒激光有希望作為一種冷處理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮彈及其他武器?！?飛秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改變其重要的生物化學(xué)特性。生物醫學(xué)專(zhuān)家已將它作為超精密外科手術(shù)刀，用于視力矯正手術(shù)，既能減少組織損傷又不會(huì )留下手術(shù)后遺癥，甚至可對單個(gè)細胞動(dòng)精密手術(shù)或者用于基因療法。目前人們還在研究如何將飛秒激光用于牙科治療。有科學(xué)家發(fā)現，利用超短脈沖激光能去掉牙的一小塊，而不影響周?chē)奈镔|(zhì)。美國Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工工作臺正是代表了這個(gè)領(lǐng)域里最前沿的商用飛秒激光微加工系統，它包括了用超短脈沖激光進(jìn)行微加工所需的一切設備與配件，可用于微加工任何材料，生成亞微米精細結構，而不會(huì )對周邊材料造成損害，不會(huì )造成材料飛濺，加工結果極其精確并具有高度可重復性。

　　我們相信，隨著(zhù)超短脈沖激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及具有高可靠性的商用飛秒激光器的進(jìn)一步完善，飛秒激光一定會(huì )在更多領(lǐng)域獲得更為廣泛的應用。