超快激光技術(shù)的未來(lái)發(fā)展之路

　　隨著激光技術(shù)飛速發(fā)展，超快激光出現(xiàn)了人們的視線之中，它具備獨(dú)特的超短脈沖、超強(qiáng)特性，能以較低的脈沖能量獲得極高的峰值光強(qiáng)。超短脈沖啁啾放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification，CPA)的出現(xiàn)使超快激光的強(qiáng)度得到大大提高。與傳統(tǒng)長(zhǎng)脈沖激光及連續(xù)激光不同，超快激光有著超短的激光脈沖，這使得激光脈沖的頻譜寬度相當(dāng)大。這樣寬的頻譜在進(jìn)行諸如原子能級(jí)研究，激光選鍵化學(xué)等方面都具有重要的應(yīng)用。利用超快激光脈沖短的特點(diǎn)，可以采用泵浦-探測(cè)的方式，將激光脈沖與物質(zhì)相互作用現(xiàn)象在不同的時(shí)刻照相，以期獲得整個(gè)過(guò)程的特點(diǎn)。這個(gè)方法已經(jīng)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，如在原子與分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中以及觀察電子的運(yùn)動(dòng)，利用飛秒激光脈沖甚至阿秒脈沖，通過(guò)泵浦-探測(cè)的方法觀察到反應(yīng)過(guò)程。聚焦后的超快激光，其峰值功率密度超過(guò)1012W/cm2時(shí)，所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度就已經(jīng)大于原子的內(nèi)電場(chǎng)。它提供的極強(qiáng)極高的電場(chǎng)，能夠超過(guò)價(jià)帶電子的束縛力，使分子、原子的電子體系發(fā)生巨大變化。利用這個(gè)特性，人們可以研究由于超快激光導(dǎo)致原子內(nèi)部產(chǎn)生的奇特現(xiàn)象。并且，超快激光還顯示出其它不同的特性，如熱影響區(qū)域小、作用效果能夠超過(guò)光學(xué)衍射極限、優(yōu)秀的空間選擇特性。

　　超快超強(qiáng)激光脈沖與物質(zhì)的相互作用是是當(dāng)前最活躍的研究課題之一。它在新型的粒子加速器、超快高能X射線光源等方面，都有著廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，它包含多方面理論和實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容的課題，涉及到物理學(xué)的許多重要分支,如激光物理、原子分子物理、非線性光學(xué)、等離子體物理、熱力學(xué)等。隨著超短激光脈沖技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)上己經(jīng)能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度的周期量級(jí)超短脈沖，為光與物質(zhì)的相互作用研究提供了前所未有的實(shí)驗(yàn)手段和極端的物理?xiàng)l件,開(kāi)拓了光與物質(zhì)相互作用的嶄新的研究領(lǐng)域，產(chǎn)生了所謂的極端非線性光學(xué)，大大豐富了光學(xué)的研究?jī)?nèi)容，將激光與原子、分子、離子、電子團(tuán)簇以及等離子體等各種形態(tài)的物質(zhì)之間的相互作用研究拓展到高度非線性和相對(duì)論的強(qiáng)場(chǎng)范圍。

　　超快超強(qiáng)激光與物質(zhì)的相互作用過(guò)程中，隨著激光強(qiáng)度的不斷提高，各種非線性效應(yīng)不斷增強(qiáng)，出現(xiàn)了高次諧波、閾上電離、隧穿電離等現(xiàn)象，并且周期量級(jí)超短激光脈沖失去了波動(dòng)現(xiàn)象所特有的周期性特征，從而導(dǎo)致一系列全新的物理現(xiàn)象與規(guī)律。它提供了一種新的實(shí)驗(yàn)工具應(yīng)用于相干控制、非線形光學(xué)以及新近興起的亞周期電子波包的控制等領(lǐng)域，并提供了一種新的時(shí)間測(cè)量尺度-阿秒，將可能對(duì)眾多學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

　　而在材料加工方面，自超快激光出現(xiàn)以來(lái)，由于其具有超快時(shí)間和超高峰值特性，它能將能量快速、準(zhǔn)確的集中在作用區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)幾乎所有材料的非熱熔性冷處理。獲得傳統(tǒng)激光無(wú)法比擬的高精度、低損傷等優(yōu)勢(shì)。使在微秒激光這些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在材料的微細(xì)加工、納米結(jié)構(gòu)制作、光子器件、高密件存儲(chǔ)、醫(yī)療生物工程等方面得到廣泛應(yīng)用。

　　超強(qiáng)超快激光科學(xué)是一門(mén)非常年輕的新學(xué)科，正處在出現(xiàn)重大突破的前夜。近幾年隨著高功率皮秒、飛秒激光和光纖超快激光技術(shù)的突破和商業(yè)化，超快激光已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，成為學(xué)術(shù)界和激光應(yīng)用行業(yè)的熱門(mén)方向。

　　超快激光能解決許多常規(guī)方法難以達(dá)到的高、精、尖、硬、難等等加工問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)令人驚奇的加工能力、加工質(zhì)量和加工效率，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

　　隨之德國(guó)“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”的啟動(dòng)發(fā)展，今后高端制造、智能制造、高精密制造的需求將顯著增加，超快激光與先進(jìn)微納加工技術(shù)將迎來(lái)新的快速發(fā)展機(jī)遇。預(yù)計(jì)到2020年超快激光器市場(chǎng)總額將超過(guò)15億美元。