飞秒激光（标衡时间长短的计量单位）

简介

飞秒（英语为 femto second，简写为 fs），是度量时间长短的一种计量单位。飞秒这个单位非常的小，1 飞秒1秒的一千万亿分之一。即使是自然界中速度最快的光速（30 万千米/秒），在 1 飞秒内，也只能走 0.3μm，这个距离甚至不到一根头发丝的百分之一。^[1]

飞秒激光具有以下几个特点：首先是飞秒激光持续的时间及其短，只有几个飞秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲还要短几千倍，是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲；其次是飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可以达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出上百倍；再次是飞秒激光能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域内，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高出数倍，而其中许多的极端物理条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。由于飞秒激光的峰值功率超高，经过聚焦后，其光强能达到 1022W/cm2量级。这样的强度远超过原子内部相互作用库伦场，所以，飞秒激光脉冲能轻易将电子脱离原子的束缚，形成等离子体。例如，氢原子的库伦场强为 5×1011V/m，而 1m J 的飞秒激光脉冲经过聚焦后，能达到 1012V/m 量级，所以能使氢原子电离。

发展历史

飞秒激光技术随着科技的进步，不断的发展，其脉宽越来越短，脉冲的峰值功率越来越大。^[1]

自1960年第一台红宝石激光器问世以来，缩短激光脉冲便成为激光器设计和制作的重要发展方向。为了缩短激光脉冲，在20世纪60年代末到70年代初提出激光锁模技术，飞秒激光的产生便来源于该技术。

1974 年，E.P.Ippen 等人发明了腔外光栅对压缩技术，通过染料激光器第一次获得了飞秒激光脉冲。

1981 年，R.L.Fork 等人通过碰撞脉冲锁模技术，通过染料激光器获得了 90fs的激光脉冲。

但是，染料激光器结构复杂，需要染料循环系统，且其增益带宽狭窄，只能在实验室的条件下研究，不能广泛应用，所以在固体激光器特别是钛宝石晶体激光器出现后，迅速的淘汰了。

1983年，D. E. Spence 等人发明了自锁模技术，也称克尔透镜锁模，这种技术的特点是不需要附加脉冲锁模。

1981年美国尔实验室的人首次利用碰撞锁模技术（在环形染料激光器中得到了脉宽仅的超短激光脉冲。1985年该实验室的人在激光腔内引入可补偿腔内群速弥散的四棱镜结构，得到的超短激光脉冲，大大推动了超短脉冲技术的发展。

1985年，Strickland 和 Mourou 提出了啁啾脉冲放大理论，为飞秒激光器的发展奠定理论基础。

1989年，P. N. Kea 等人发明了耦合腔锁模技术，也称为附加脉冲锁模，并获得了数百飞秒的激光脉冲。

1991年，D. E. Spence 等人又利用自锁模技术，以掺钛蓝宝石为增益介质，获得了60飞秒的激光脉冲，这被看成是人类历史上第一束真正意义上的飞秒激光脉冲。同年，A.Sullivan 等人获得了100fs，峰值功率为3TW 的激光脉冲。以钛宝石晶体作为增益介质的激光器，其优点是结构简单、性能稳定、工作寿命长，而且其峰值功率高，能够调谐的范围大，能够广泛应用。所以迅速取代了染料激光器的地位，迅猛的发展起来。

1993年，M.T.Aaki 等人用掺钛蓝宝石激光自锁模技术，得到了11fs 的激光脉冲，同样美国华盛顿州立大学和奥地利维也纳大学获得了10fs 的激光脉冲。

1996年，C.P.J.Barry 等采用再生放大脉冲整形和高阶色散补偿技术，获得了脉宽 18 fs，4.4TW 的峰值功率脉冲输出。

1997年，U.Keller 等人利用啁啾技术与棱镜结合的方式获得了6.5fs 的激光脉冲。同年，Stuart 等利用钕玻璃放大器，获得了395fs，峰值功率125TW 的激光脉冲。1999年，Perry 等改进了钕玻璃放大器，获得了440fs，峰值超过1.5PW 的激光脉冲。

2004年，日本北海道大学研究小组利用光纤对啁啾放大系统输出的脉冲光谱进行展宽后再进行压缩，获得了脉宽为2.8fs 的飞秒激光脉冲。同年，国内中科院上海光机所用自己的生产的钛宝石晶体，成功获得了36fs，峰值功率120TW 的激光脉冲。

在近年的研究中，奥地利维也纳大学、加拿大国家研究中心和德国比利菲尔德大学的研究人员利用强场高次谐波的技术，成功获得了650埃秒（as）激光脉 4冲。这使激光的发展跨出了飞跃的一步。由于飞秒激光自身的特点，脉冲短，能量高，峰值功率大，其在应用方面有着广阔的前景。飞秒激光技术已经广泛的应用于环境、信息、医疗、国防、工业等各个领域。

飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，一飞秒就是10的负15次方秒，也就是1/1000万亿秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍。这是飞秒激光的第一个特点。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。

用途

飞秒激光有什么用途呢？众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。^[1]

在微加工领域，由于其对材料周围影响极小，能安全的切割，打孔、雕刻，甚至应用于集成电路的光刻工艺中。在国防领域，飞秒激光应用在安全切割高爆炸药，拆除废旧退役的火箭，炮弹等。在医学领域，飞秒激光像一把精密的手术刀，用于治疗近视，美容等方面。在生物学领域，飞秒激光轰击细胞 DNA，使其发生突变，用于研究基因变化的各种影响。在环境领域，飞秒激光 LIBS 技术测量大气污染成分，检测环境污染水平。在科研领域，飞秒激光更是无处不在。随着飞秒激光技术的发展，飞秒激光能在更多领域获得更多的应用。

物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光，产生β射线激光，产生正负电子对。

高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。

特点

1、飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短脉冲，它的精确度是± 5 微米;^[2]

2、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万亿瓦，比全世界的发电总功率还要多出上百倍;

3、物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体;

4、飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域;

5、用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会有组织损伤。

优势

与传统连续激光以及长脉宽（纳秒，皮秒激光相比，飞秒激光加工材料具有如下特点：^[2]

峰值功率高，容易引起材料的解离。以光谱公司生产的具有再生放大系统的钛宝石飞秒激光器为例，其脉宽为，重复频率为单脉冲能量为，其激光脉冲峰值可达的量级。采用多级啁啾脉冲放大技术获得的飞秒激光脉冲峰值功率已经达到了量级。较强的飞秒激光与材料相互作用时，材料能够在数百飞秒的时间内发生解离。

热效应小，加工精度高，在材料精密加工方面有独特的优势。激光与物质相互作用时，热效应的大小与激光的脉宽之间关系极为密切。一般来说，激光作用到材料上，能量首先被激发的电子吸收，再通过电子晶格散射的作用将能量传递给晶格，通常这个过程的时间尺度在几十个皮秒，之后热量在晶格之间传递，使得周围晶格温度升高，引起材料的相变焰化和气化。对于纳秒激光来说，由于其脉冲宽度远大于电子晶格散射的时间，在脉冲作用的过程中，能量有足够的时间由电子传递给晶格，并在晶格之间扩散，使得晶格温度逐渐升高发生溶化和气化。与之所不同的是，飞秒激光器产生的脉冲，其脉宽在甚至更短，此时脉冲的作用时间远小于电子晶格散射的时间，激光脉冲作用完成时能量来不及传递给晶格，此时的晶格是“冷”的。飞秒激光引起的材料解离发生在几个皮秒的时间内，引起的材料解离过程比较复杂，针对不同的材料解离机制主要有库伦爆炸和相爆炸两种。而皮秒脉冲激光与材料相互作用时，产生的热效应影响介于纳秒激光和飞秒激光之间。

应用范围广。现代研究己经将飞秒激光加工应用于众多固体材料，范围涵盖金属，半导体，电介质以及聚合物等等。而且，飞秒激光器的发展也颇为迅速，波段覆盖射线到近红外，脉宽从数个飞秒到数百飞秒，能够满足各种材料的加工需求。特别是最近几年，飞秒激光器趋于小型化、集成化，输出的激光功率更加稳定可靠，这使得飞秒激光器成功地从实验室走向了工厂。