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飛秒激光技術介紹及商業發展

發布時間：2020-04-14 來源：元祿光電

飛秒激光是過去20年間由激光科學發展起來的最強有力的新工具之一。飛秒脈沖是如此的短，目前已經達到了4fs以內。1飛秒（fs） ,即10-15s ,僅僅是1千萬億分之一秒，如果將10fs作為幾何平均來衡量宇宙，其壽命僅不過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創造的奇跡。

近二十年來，從染料激光器到克爾透鏡鎖模的鈦寶石飛秒激光器，以及后來的二極管泵浦的全固態飛秒激光器和飛秒光纖激光器，雖然說脈沖寬度和能量的記錄在不斷刷新，但最大進展莫過于獲得超飛秒脈沖變得輕而易舉了。桑迪亞國家實驗室的R.Trebino說:“過去10年中, （超快）技術已有顯著改善, 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潔和穩定。這種激光器現在人們已可買到, 而10年前, 你卻必須自己建立。”比如，著名的飛秒激光系統生產商美國Clark-MXR公司將產生高功率飛秒脈沖的所有部件全部集成到一個箱子里，采用摻鉺光纖飛秒激光器作為種子源，加上無需調整（NO Tweak）的特殊設計，形成了世界上獨一無二，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家來操作，完全可以廣泛應用于科研和工業上的許多領域里。

根據飛秒激光超短和超強的特點，大體上可以將應用研究領域分成超快瞬態現象的研究和超強現象的研究。它們都是隨著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, 形成多種時間分辨光譜技術和泵浦/探測技術。它的發展直接帶動物理、化學、生物、材料與信息科學的研究進入微觀超快過程領域, 并開創了一些全新的研究領域, 如飛秒化學、量子控制化學、半導體相干光譜等。飛秒脈沖激光與納米顯微術的結合, 使人們可以研究半導體的納米結構(量子線、量子點和納米晶體)中的載流子動力學。在生物學方面,人們正在利用飛秒激光技術所提供的差異吸收光譜、泵浦/ 探測技術, 研究光合作用反應中心的傳能、轉能與電荷分離過程。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實現的臺式太瓦激光的成功運轉始于1988年，這一成果標志著在實驗室內飛秒超強及超高強光物理研究的開始。在這一領域研究中，由于超短激光場的作用已相當于或者大大超過原子中電子所受到的束縛場，微擾論已不能成立，新的理論處理有待于發展。在1020W/ cm2的光強下，可以實現模擬天體物理現象的研究。1019-1021W/ cm2的超高強激光產生的熱電子（200keV<e<1mev）可以加熱大量離子而引發核聚變。這種慣性約束核聚變（icf）快點火概念的最終實現將為國家安全和能源利用做出不可估量的貢獻。

飛秒激光的另一個重要的應用就是微精細加工。通常，按激光脈沖標準來說，持續時間大于10皮秒（相當于熱傳導時間）的激光脈沖屬于長脈沖，用它來加工材料，由于熱效應使周圍材料發生變化，從而影響加工精度。而脈沖寬度只有幾千萬億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有；可以實現多種材料，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。一些汽車制造廠和重型設備加工廠目前正研究用飛秒激光加工更好的發動機噴油嘴。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學會會議上，IBM公司的海特說，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。用飛秒激光切割，幾乎沒有熱傳遞。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的研究人員發現，這種激光束能安全地切割高爆炸藥。該實驗室的洛斯克說：“飛秒激光切割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。” 飛秒激光切割能用于切割易碎的聚合物，而不改變其重要的生物化學特性。生物醫學專家已將它作為超精密外科手術刀，用于視力矯正手術，既能減少組織損傷又不會留下手術后遺癥，甚至可對單個細胞動精密手術或者用于基因療法。目前人們還在研究如何將飛秒激光用于牙科治療。有科學家發現，利用超短脈沖激光能去掉牙的一小塊，而不影響周圍的物質。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領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，而不會對周邊材料造成損害，不會造成材料飛濺，加工結果極其精確并具有高度可重復性。

我們相信，隨著超短脈沖激光技術的進一步發展以及具有高可靠性的商用飛秒激光器的進一步完善，飛秒激光一定會在更多領域獲得更為廣泛的應用。

推薦設備：飛秒激光切割機