飛秒激光及其應(yīng)用

　　飛秒激光是過去20年間由激光科學(xué)發(fā)展起來的最強(qiáng)有力的新工具之一。飛秒脈沖是如此的短，目前已經(jīng)達(dá)到了4fs以內(nèi)。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(qiáng)，采用多級(jí)啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)獲得的最大脈沖峰值功率可達(dá)到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量級(jí)，其可聚焦強(qiáng)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(chuàng)造的奇跡?！　?/P>

　　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(tài)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(jìn)展莫過于獲得超飛秒脈沖變得輕而易舉了。桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的R.Trebino說:“過去10年中, （超快）技術(shù)已有顯著改善, 鈦藍(lán)寶石激光器和現(xiàn)在的光纖激光器正在使這種(飛秒) 激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)變得簡(jiǎn)潔和穩(wěn)定。這種激光器現(xiàn)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(tǒng)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，加上無需調(diào)整（NO Tweak）的特殊設(shè)計(jì)，形成了世界上獨(dú)一無二，超穩(wěn)定、超緊湊的CPA2000系列鈦寶石啁啾脈沖放大系統(tǒng)。這種商品化的系統(tǒng)不需要飛秒專家來操作，完全可以廣泛應(yīng)用于科研和工業(yè)上的許多領(lǐng)域里。　　

　　根據(jù)飛秒激光超短和超強(qiáng)的特點(diǎn)，大體上可以將應(yīng)用研究領(lǐng)域分成超快瞬態(tài)現(xiàn)象的研究和超強(qiáng)現(xiàn)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(fā)展。

　　飛秒脈沖激光的最直接應(yīng)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(cè)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)入微觀超快過程領(lǐng)域, 并開創(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(dǎo)體相干光譜等。飛秒脈沖激光與納米顯微術(shù)的結(jié)合, 使人們可以研究半導(dǎo)體的納米結(jié)構(gòu)(量子線、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(cè)技術(shù), 研究光合作用反應(yīng)中心的傳能、轉(zhuǎn)能與電荷分離過程。超短脈沖激光還被應(yīng)用于信息的傳輸、處理與存貯方面。

　　第一臺(tái)利用啁啾脈沖放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)的臺(tái)式太瓦激光的成功運(yùn)轉(zhuǎn)始于1988年，這一成果標(biāo)志著在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)飛秒超強(qiáng)及超高強(qiáng)光物理研究的開始。在這一領(lǐng)域研究中，由于超短激光場(chǎng)的作用已相當(dāng)于或者大大超過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(qiáng)下，可以實(shí)現(xiàn)模擬天體物理現(xiàn)象的研究。1019-1021W/ cm2的超高強(qiáng)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(xiàn)將為國家安全和能源利用做出不可估量的貢獻(xiàn)。

　　飛秒激光的另一個(gè)重要的應(yīng)用就是微精細(xì)加工。通常，按激光脈沖標(biāo)準(zhǔn)來說，持續(xù)時(shí)間大于10皮秒（相當(dāng)于熱傳導(dǎo)時(shí)間）的激光脈沖屬于長脈沖，用它來加工材料，由于熱效應(yīng)使周圍材料發(fā)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(dú)特的材料加工特性，如加工孔徑的熔融區(qū)很小或者沒有；可以實(shí)現(xiàn)多種材料，如金屬、半導(dǎo)體、透明材料內(nèi)部甚至生物組織等的微機(jī)械加工、雕刻；加工區(qū)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(shè)備加工廠目前正研究用飛秒激光加工更好的發(fā)動(dòng)機(jī)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，IBM已將一種飛秒激光系統(tǒng)用于大規(guī)模集成電路芯片的光刻工藝中。用飛秒激光進(jìn)行切割，幾乎沒有熱傳遞。美國勞倫斯?利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，這種激光束能安全地切割高爆炸藥。該實(shí)驗(yàn)室的洛斯克說：“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(yī)學(xué)專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(duì)單個(gè)細(xì)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(xiàn)，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(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(tái)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(tǒng)，它包括了用超短脈沖激光進(jìn)行微加工所需的一切設(shè)備與配件，可用于微加工任何材料，生成亞微米精細(xì)結(jié)構(gòu)，而不會(huì)對(duì)周邊材料造成損害，不會(huì)造成材料飛濺，加工結(jié)果極其精確并具有高度可重復(fù)性。

　　我們相信，隨著超短脈沖激光技術(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(yīng)用。