超短脈沖激光技術(shù)之飛秒激光器

在超短脈沖激光器中，有一種激光器比較前沿，叫飛秒激光器。

飛秒激光器是僅以千兆分之一秒左右的超短時(shí)間放光的“超短脈沖光”發(fā)生裝置。飛是國際單位制詞頭飛托(femto)的縮寫，1飛秒=1×10^-15秒。所謂脈沖光是僅在一瞬間放光。照相機(jī)的閃光的發(fā)光時(shí)間是1微秒左右，所以飛秒的超短脈沖光只有其10億分之一左右的時(shí)間放光。眾所周知，光速是以30萬千米每秒(1秒間繞地球7周半)無與倫比快的速度飛馳而過，但是在1飛秒期間連光也只不過前進(jìn)了0.3微米。

在飛秒內(nèi)的世界連光都被凍結(jié)得無法前進(jìn)很遠(yuǎn)，但是即使這個(gè)時(shí)間尺度，在物質(zhì)中的原子、分子以及計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)部的電子在電路內(nèi)依舊運(yùn)動(dòng)。如果使用飛秒脈沖就能讓其瞬間止住，研究發(fā)生了什么。除了閃光讓時(shí)間止住外，飛秒激光器還能夠在金屬上鉆出直徑最小達(dá)200納米(萬分之二毫米)的微孔。

這意味短時(shí)間內(nèi)被壓縮鎖定在里面的超短脈沖光獲得超高輸出的驚人效果，而且對周圍不產(chǎn)生額外損傷。再者，飛秒激光器的脈沖光能夠極精細(xì)地拍攝對象的立體圖像。立體圖像攝影在醫(yī)學(xué)診斷上具有非常用途，由此開辟了一門稱之為光干涉斷層學(xué)的新的研究領(lǐng)域。這是利用飛秒激光器拍攝活的組織、活的細(xì)胞的立體圖像。

例如，用非常短脈沖光對準(zhǔn)皮膚，脈沖光在皮膚表面反射，有部分脈沖光射入皮膚中。皮膚內(nèi)部由許多層構(gòu)成，射入皮膚的脈沖光作為小脈沖光被彈回，從反射光中這些形形色色的脈沖光的回波，能夠知道皮膚內(nèi)部的構(gòu)造。

此外，這項(xiàng)技術(shù)在眼科醫(yī)學(xué)中有很大的實(shí)用性，能夠拍攝眼睛深處視網(wǎng)膜的立體圖像。醫(yī)生以此能夠診斷其組織是否有問題。這種檢查不僅限于眼睛，如果用光纖將激光器送入體內(nèi)的話，能夠檢查體內(nèi)的各種器官的所有組織，將來甚至有可能檢查是否變成了癌。

飛秒已經(jīng)超乎我們的想像。現(xiàn)在我們又涉足比飛秒更短的“阿秒”世界。阿是國際單位制詞頭阿托(atto)的縮寫。1阿秒=1×10^-18秒=千分之一飛秒。阿秒脈沖不能用可見光制造，因?yàn)榭s短脈沖必須使用更短波長的光。例如想用紅色可見光制造脈沖的情形，不可能制造比那個(gè)波長更短的脈沖?？梢姽馐?/span>2飛秒左右的界限，為此阿秒的脈沖用波長更短的x射線或伽馬射線。使用阿秒x射線脈沖，將來能發(fā)現(xiàn)什么還不清楚。例如使用阿秒之間閃光將生物分子可視化，在極短的時(shí)間尺度下能夠觀察其活動(dòng)，或許還能查明生物分子的結(jié)構(gòu)。

阿秒激光器目前還處于研究階段，在此暫時(shí)不再贅述，一般日常生活中，我們常見的超短脈沖激光技術(shù)，主要還是集中在皮秒激光器和飛秒激光器。

皮秒激光器是一種能夠產(chǎn)生皮秒（picosecond, ps）級別超短脈沖激光的設(shè)備，1皮秒等于一萬億分之一秒（10^-12秒）。皮秒激光器通過特定的物理過程（如模式鎖定、Q開關(guān)技術(shù)等）在極短時(shí)間內(nèi)集中釋放巨大的光能量，形成具有極高峰值功率的超短脈沖激光。

飛秒激光和皮秒激光都是超短脈沖激光技術(shù)的代表，主要區(qū)別在于它們脈沖持續(xù)時(shí)間的不同，以及由此帶來的應(yīng)用特性的差異：

脈沖持續(xù)時(shí)間：

飛秒激光：飛秒（fs）是時(shí)間單位，1飛秒等于10^-15秒，即一千萬億分之一秒。飛秒激光的脈沖持續(xù)時(shí)間在飛秒范圍內(nèi)，通常小于100飛秒，有的甚至達(dá)到幾個(gè)飛秒。這種極端短的脈沖時(shí)間使得飛秒激光具有非常高的時(shí)間分辨率。

皮秒激光：皮秒（ps）也是時(shí)間單位，1皮秒等于10^-12秒，即一萬億分之一秒。皮秒激光的脈沖持續(xù)時(shí)間在皮秒范圍內(nèi)，一般從幾個(gè)皮秒到幾百皮秒不等。雖然也屬于超短脈沖范疇，但相比飛秒激光，其脈沖要稍長一些。

光子能量與作用機(jī)制：

飛秒激光：由于脈沖極短，飛秒激光的光子能量非常集中，能夠在極短時(shí)間內(nèi)傳遞給物質(zhì)，導(dǎo)致非熱效應(yīng)占主導(dǎo)，即所謂的“冷加工”。這種非熱效應(yīng)使得飛秒激光在材料加工中能夠?qū)崿F(xiàn)極高的精度和最小的熱損傷，非常適合精密微加工、眼科手術(shù)、生物組織切割等領(lǐng)域。

皮秒激光：皮秒激光雖然脈沖較長，但仍屬于超短脈沖范疇，能夠在一定程度上減少熱效應(yīng)，但相比飛秒激光，熱效應(yīng)更為顯著。皮秒激光在材料加工中能夠?qū)崿F(xiàn)較好的邊緣質(zhì)量，適用于激光標(biāo)記、太陽能電池加工、某些醫(yī)療美容治療（如色素沉著、紋身去除）等，平衡了加工速度和熱影響區(qū)大小。

應(yīng)用領(lǐng)域：

飛秒激光：由于其極高的時(shí)間分辨率和幾乎無熱效應(yīng)的特點(diǎn)，飛秒激光在超精細(xì)加工、生物醫(yī)學(xué)（如角膜手術(shù)、細(xì)胞成像）、材料科學(xué)（如非線性光學(xué)效應(yīng)研究、材料改性）等領(lǐng)域有著不可替代的作用。

皮秒激光：皮秒激光雖然在時(shí)間分辨率上略遜于飛秒激光，但其較高的脈沖能量和較好的性價(jià)比使其在許多工業(yè)加工、微電子制造、激光清洗、醫(yī)療美容等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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