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1簡(jiǎn)介

飛秒（英語(yǔ)為 femto second，簡(jiǎn)寫(xiě)為 fs），是度量時(shí)間長(zhǎng)短的一種計(jì)量單位。飛秒這個(gè)單位非常的小，1 飛秒1秒的一千萬(wàn)億分之一 [1]  。即使是自然界中速度快的光速（30 萬(wàn)千米/秒），在 1 飛秒內(nèi)，也只能走 0.3μm，這個(gè)距離甚至不到一根頭發(fā)絲的百分之一。
飛秒激光具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先是飛秒激光持續(xù)的時(shí)間及其短，只有幾個(gè)飛秒，它比利用電子學(xué)方法所獲得的短脈沖還要短幾千倍，是人類(lèi)目前在實(shí)驗(yàn)條件下所能獲得的短脈沖；其次是飛秒激光具有非常高的瞬時(shí)功率，可以達(dá)到百萬(wàn)億瓦，比目前*發(fā)電總功率還要多出上百倍；再次是飛秒激光能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域內(nèi)，使電磁場(chǎng)的強(qiáng)度比原子核對(duì)其周?chē)娮拥淖饔昧€要高出數(shù)倍，而其中許多的*物理?xiàng)l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。由于飛秒激光的峰值功率超高，經(jīng)過(guò)聚焦后，其光強(qiáng)能達(dá)到 1022W/cm2量級(jí)。這樣的強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)原子內(nèi)部相互作用庫(kù)倫場(chǎng)，所以，飛秒激光脈沖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(kù)倫場(chǎng)強(qiáng)為 5×1011V/m，而 1m J 的飛秒激光脈沖經(jīng)過(guò)聚焦后，能達(dá)到 1012V/m 量級(jí)，所以能使氫原子電離。

2發(fā)展歷史

飛秒激光技術(shù)隨著科技的進(jìn)步，不斷的發(fā)展，其脈寬越來(lái)越短，脈沖的峰值功率越來(lái)越大。
自1960年臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái)，縮短激光脈沖便成為激光器設(shè)計(jì)和制作的重要發(fā)展方向。為了縮短激光脈沖，在20世紀(jì)60年代末到70年代初提出激光鎖模技術(shù)，飛秒激光的產(chǎn)生便來(lái)源于該技術(shù)。
1974 年，E.P.Ippen 等人發(fā)明了腔外光柵對(duì)壓縮技術(shù)，通過(guò)染料激光器次獲得了飛秒激光脈沖。
1981 年，R.L.Fork 等人通過(guò)碰撞脈沖鎖模技術(shù)，通過(guò)染料激光器獲得了 90fs的激光脈沖。
但是，染料激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要染料循環(huán)系統(tǒng)，且其增益帶寬狹窄，只能在實(shí)驗(yàn)室的條件下研究，不能廣泛應(yīng)用，所以在固體激光器特別是鈦寶石晶體激光器出現(xiàn)后，迅速的淘汰了。
1983年，D. E. Spence 等人發(fā)明了自鎖模技術(shù)，也稱(chēng)克爾透鏡鎖模，這種技術(shù)的特點(diǎn)是不需要附加脈沖鎖模。
1981年美國(guó)爾實(shí)驗(yàn)室的人利用碰撞鎖模技術(shù)（在環(huán)形染料激光器中得到了脈寬僅的超短激光脈沖。1985年該實(shí)驗(yàn)室的人在激光腔內(nèi)引入可補(bǔ)償腔內(nèi)群速?gòu)浬⒌乃睦忡R結(jié)構(gòu)，得到的超短激光脈沖，大大推動(dòng)了超短脈沖技術(shù)的發(fā)展。
1985年，Strickland 和 Mourou 提出了啁啾脈沖放大理論，為飛秒激光器的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。
1989年，P. N. Kea 等人發(fā)明了耦合腔鎖模技術(shù)，也稱(chēng)為附加脈沖鎖模，并獲得了數(shù)百飛秒的激光脈沖。
1991年，D. E. Spence 等人又利用自鎖模技術(shù)，以摻鈦藍(lán)寶石為增益介質(zhì)，獲得了60飛秒的激光脈沖，這被看成是人類(lèi)歷*束真正意義上的飛秒激光脈沖。同年，A.Sullivan 等人獲得了100fs，峰值功率為3TW 的激光脈沖。以鈦寶石晶體作為增益介質(zhì)的激光器，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、工作壽命長(zhǎng)，而且其峰值功率高，能夠調(diào)諧的范圍大，能夠廣泛應(yīng)用。所以迅速取代了染料激光器的地位，迅猛的發(fā)展起來(lái)。
1993年，M.T.Aaki 等人用摻鈦藍(lán)寶石激光自鎖模技術(shù)，得到了11fs 的激光脈沖，同樣美國(guó)華盛頓州立大學(xué)和奧地利維也納大學(xué)獲得了10fs 的激光脈沖。
1996年，C.P.J.Barry 等采用再生放大脈沖整形和高階色散補(bǔ)償技術(shù)，獲得了脈寬 18 fs，4.4TW 的峰值功率脈沖輸出。
1997年，U.Keller 等人利用啁啾技術(shù)與棱鏡結(jié)合的方式獲得了6.5fs 的激光脈沖。同年，Stuart 等利用釹玻璃放大器，獲得了395fs，峰值功率125TW 的激光脈沖。1999年，Perry 等改進(jìn)了釹玻璃放大器，獲得了440fs，峰值超過(guò)1.5PW 的激光脈沖。
2004年，日本北海道大學(xué)研究小組利用光纖對(duì)啁啾放大系統(tǒng)輸出的脈沖光譜進(jìn)行展寬后再進(jìn)行壓縮，獲得了脈寬為2.8fs 的飛秒激光脈沖。同年，國(guó)內(nèi)中科院上海光機(jī)所用自己的生產(chǎn)的鈦寶石晶體，成功獲得了36fs，峰值功率120TW 的激光脈沖。 
在近年的研究中，奧地利維也納大學(xué)、加拿大國(guó)家研究中心和德國(guó)比利菲爾德大學(xué)的研究人員利用強(qiáng)場(chǎng)高次諧波的技術(shù)，成功獲得了650埃秒（as）激光脈 4沖。這使激光的發(fā)展跨出了飛躍的一步。 由于飛秒激光自身的特點(diǎn)，脈沖短，能量高，峰值功率大，其在應(yīng)用方面有著廣闊的前景。飛秒激光技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于環(huán)境、信息、醫(yī)療、國(guó)防、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。 
飛秒激光是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時(shí)間非常短，只有幾個(gè)飛秒，一飛秒就是10的負(fù)15次方秒，也就是1/1000萬(wàn)億秒，它比利用電子學(xué)方法所獲得的短脈沖要短幾千倍。這是飛秒激光的個(gè)特點(diǎn)。飛秒激光的第二個(gè)特點(diǎn)是具有非常高的瞬時(shí)功率，可達(dá)到百萬(wàn)億瓦，比*發(fā)電總功率還要多出百倍。飛秒激光的第三個(gè)特點(diǎn)是，它能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域，使電磁場(chǎng)的強(qiáng)度比原子核對(duì)其周?chē)娮拥淖饔昧€要高數(shù)倍。

3用途

飛秒激光有什么用途呢？*，物質(zhì)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(yùn)動(dòng)著，這是微觀物質(zhì)的一個(gè)非常重要的基本屬性。飛秒激光的出現(xiàn)使人類(lèi)次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動(dòng)過(guò)程。基于這些科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。特別值得提出的是，由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變?cè)缙谠\斷、醫(yī)學(xué)成象和生物活體檢測(cè)、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其*的優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。
在微加工領(lǐng)域，由于其對(duì)材料周?chē)绊憳O小，能安全的切割，打孔、雕刻，甚至應(yīng)用于集成電路的光刻工藝中。在國(guó)防領(lǐng)域，飛秒激光應(yīng)用在安全切割高爆炸藥，拆除廢舊退役的火箭，炮彈等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，飛秒激光像一把精密的*，用于治療近視，美容等方面。在生物學(xué)領(lǐng)域，飛秒激光轟擊細(xì)胞 DNA，使其發(fā)生突變，用于研究基因變化的各種影響。 在環(huán)境領(lǐng)域，飛秒激光 LIBS 技術(shù)測(cè)量大氣污染成分，檢測(cè)環(huán)境污染水平。在科研領(lǐng)域，飛秒激光更是無(wú)處不在。隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光能在更多領(lǐng)域獲得更多的應(yīng)用。
物質(zhì)在高強(qiáng)度飛秒激光的作用下會(huì)出現(xiàn)非常奇特的現(xiàn)象：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的物質(zhì)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(zhǎng)的射線(xiàn)的激光。高功率飛秒激光與電子束碰撞能夠產(chǎn)生硬X射線(xiàn)飛秒激光，產(chǎn)生β射線(xiàn)激光，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)。
高功率飛秒激光在醫(yī)學(xué)、超精細(xì)微加工、高密度信息儲(chǔ)存和記錄方面都有著很好的發(fā)展前景。高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿，從而制造放電通道，實(shí)現(xiàn)人工引雷，避免飛機(jī)、火箭、發(fā)電廠因天然雷擊而造成的災(zāi)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(guī)模得到上千倍的壓縮。高功率飛秒激光與物質(zhì)相互作用，能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的中子，實(shí)現(xiàn)激光受控核聚變的快速點(diǎn)火。從而為人類(lèi)實(shí)現(xiàn)新一代能源開(kāi)辟一條嶄新的途徑。

4特點(diǎn)

1、飛秒激光是我們?nèi)祟?lèi)目前在實(shí)驗(yàn)條件下能夠獲得的短脈沖，它的度是± 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(dá)百萬(wàn)億瓦，比*的發(fā)電總功率還要多出上百倍；
3、物質(zhì)在飛秒激光的作用下會(huì)產(chǎn)生非常奇特的現(xiàn)象，氣態(tài)的物質(zhì)、液態(tài)的物質(zhì)、固態(tài)的物質(zhì)瞬間都會(huì)變成等離子體；
4、飛秒激光具有的靶向聚焦定位特點(diǎn)，能夠聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的多的超細(xì)微空間區(qū)域；
5、用飛秒激光進(jìn)行手術(shù)，沒(méi)有熱效應(yīng)和沖擊波，在整個(gè)光程中都不會(huì)有組織損傷。

5加工材料的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)連續(xù)激光以及長(zhǎng)脈寬（納秒，皮秒激光相比，飛秒激光加工材料具有如下特點(diǎn)：
峰值功率高，容易引起材料的解離。以光譜公司生產(chǎn)的具有再生放大系統(tǒng)的鈦寶石飛秒激光器為例，其脈寬為，重復(fù)頻率為單脈沖能量為，其激光脈沖峰值可達(dá)的量級(jí)。采用多級(jí)啁啾脈沖放大技術(shù)獲得的飛秒激光脈沖峰值功率已經(jīng)達(dá)到了量級(jí)。較強(qiáng)的飛秒激光與材料相互作用時(shí)，材料能夠在數(shù)百飛秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)生解離。
熱效應(yīng)小，加工精度高，在材料精密加工方面有*的優(yōu)勢(shì)。激光與物質(zhì)相互作用時(shí)，熱效應(yīng)的大小與激光的脈寬之間關(guān)系極為密切。一般來(lái)說(shuō)，激光作用到材料上，能量首先被激發(fā)的電子吸收，再通過(guò)電子晶格散射的作用將能量傳遞給晶格，通常這個(gè)過(guò)程的時(shí)間尺度在幾十個(gè)皮秒，之后熱量在晶格之間傳遞，使得周?chē)Ц駵囟壬撸鸩牧系南嘧冄婊蜌饣?duì)于納秒激光來(lái)說(shuō)，由于其脈沖寬度遠(yuǎn)大于電子晶格散射的時(shí)間，在脈沖作用的過(guò)程中，能量有足夠的時(shí)間由電子傳遞給晶格，并在晶格之間擴(kuò)散，使得晶格溫度逐漸升高發(fā)生溶化和氣化。與之所不同的是，飛秒激光器產(chǎn)生的脈沖，其脈寬在甚至更短，此時(shí)脈沖的作用時(shí)間遠(yuǎn)小于電子晶格散射的時(shí)間，激光脈沖作用完成時(shí)能量來(lái)不及傳遞給晶格，此時(shí)的晶格是“冷”的。飛秒激光引起的材料解離發(fā)生在幾個(gè)皮秒的時(shí)間內(nèi)，引起的材料解離過(guò)程比較復(fù)雜，針對(duì)不同的材料解離機(jī)制主要有庫(kù)倫爆炸和相爆炸兩種。而皮秒脈沖激光與材料相互作用時(shí)，產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響介于納秒激光和飛秒激光之間。
應(yīng)用范圍廣。現(xiàn)代研究己經(jīng)將飛秒激光加工應(yīng)用于眾多固體材料，范圍涵蓋金屬，半導(dǎo)體，電介質(zhì)以及聚合物等等。而且，飛秒激光器的發(fā)展也頗為迅速，波段覆蓋射線(xiàn)到近紅外，脈寬從數(shù)個(gè)飛秒到數(shù)百飛秒，能夠滿(mǎn)足各種材料的加工需求。特別是近幾年，飛秒激光器趨于小型化、集成化，輸出的激光功率更加穩(wěn)定可靠，這使得飛秒激光器成功地從實(shí)驗(yàn)室走向了工廠。