飛秒激光器的應(yīng)用與前景

1、湖北師范學(xué)院2007屆物理學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 目 錄摘 要11.激光器的基本原理21.1自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)21.2激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理21.3激光產(chǎn)生的條件32.飛秒激光脈沖的產(chǎn)生42.1 飛秒激光脈沖技術(shù)42.2飛秒激光脈沖的產(chǎn)生73.飛秒激光器的基本特點(diǎn)及其應(yīng)用93.1 飛秒激光器的基本特點(diǎn)93.2飛秒激光器的應(yīng)用94.飛秒激光器發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景134.1 飛秒激光器發(fā)展現(xiàn)狀134.2飛秒激光器應(yīng)用前景14致謝15參考文獻(xiàn)15飛秒激光器的應(yīng)用與前景李海華（指導(dǎo)教師：李宏）湖北師范學(xué)院物理系0301班，湖北，黃石，435002摘 要:飛秒激光器具有廣泛的應(yīng)用

2、范圍，特別是在材料加工、器件制作及光通信等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。本文對飛秒激光器的原理、技術(shù) 以及在幾個方面的應(yīng)用進(jìn)行探討，最后是對飛秒激光器將來應(yīng)用及發(fā)展前景進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：飛秒激光器 鎖模技術(shù) 飛秒光脈沖中圖分類號：TN209Application and prospect of femto-second laser LI Haihua(Tutor:LI Hong)(Department of Physics , Hubei Normal University ,435002 )Abstract：Femtosecond laser is of large application scop

3、e, and particularly they are used in material processing, apparatus facture and optical communication. The working principle of the laser is demonstrated, and its applications introduced. Finally, application and prospect of the femto-second laser in the future are discussed.Key word：Femtosecond las

4、er Locking mode technology femtosecond optical pulses1.激光器的基本原理激光器是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種新型光源。激光具有四大特性：單色性好、方向性好、相干性好、能量集中。1.1自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激勵能源激活介質(zhì)光學(xué)諧振腔激光圖1 激光器的基本組成結(jié)構(gòu)激光是基于受激發(fā)射放大原理而產(chǎn)生的一種相干光輻射。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子會自發(fā)輻射而產(chǎn)生光子。而在有外界作用下，則會增加兩種新的形式：受激輻射和受激吸收。激光是通過受激輻射來實(shí)現(xiàn)放大的光，而光和原子系統(tǒng)相互作用時，總是同時存在著自發(fā)

5、輻射、受激輻射、受激吸收（在有外界作用下，自發(fā)輻射相對較弱，可以忽略）。為了能產(chǎn)生激光，就必須使受激輻射強(qiáng)度超過受激吸收強(qiáng)度，即使高能態(tài)的原子數(shù)多于低能態(tài)的原子數(shù)。我們把這種不同于平衡態(tài)粒子分布的狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。也就是，要產(chǎn)生激光，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。1.2激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的一個必要條件，而要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和產(chǎn)生激光還必須滿足三個條件：第一、要有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，即激活介質(zhì)（這類物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)）；第二、要有必要的能量輸入系統(tǒng)給激活介質(zhì)能量，使盡可能多的原子吸收能量后躍遷到高能態(tài)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這一系統(tǒng)稱作激勵能源（或泵浦源）

6、；第三、要有光的正反饋系統(tǒng)光學(xué)諧振腔，當(dāng)一定頻率的光輻射通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)時，受激輻射的光子數(shù)多于受激吸收的光子數(shù)可使光輻射得到放大，要使這種光放大并且以一個副長光子感應(yīng)產(chǎn)生一個受激發(fā)射光子的單次過程為主，還能形成高單色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必須使用光學(xué)諧振腔。因此，如圖1所示，常用激光器由三部分組成：激活介質(zhì)、激勵能源、光學(xué)諧振腔。圖2 激活介質(zhì)的兩種工作模式激勵抽運(yùn)無輻射躍遷A21B12B21A21E1E2E3B12B21E1E2E3激勵無輻射躍遷(b)四級能圖（a）三級能圖E0只有具有亞穩(wěn)態(tài)的物質(zhì)才有可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光放大。因此，激活介質(zhì)中必須存在一

7、種特殊的能級亞穩(wěn)態(tài)能級。如圖2所示，在外界能源的激勵下，基態(tài)E1上的粒子被抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3上，因而基態(tài)E1上的粒子數(shù)N1減少，由于激發(fā)態(tài)E3的壽命很短，粒子將通過碰撞，很快地以無輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2上，由于亞穩(wěn)態(tài)E2壽命較長，其上就積累了大量粒子，N2不斷增加。一方面N1不斷減少，另一方面N2不斷增加，以致N2大于N1，于是實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。利用處在亞穩(wěn)態(tài)下的激活物質(zhì)制成放大器，當(dāng)有外來光信號輸入時，光就被放大。受激輻射后產(chǎn)生的放大是雜亂無章的，要使它變成激光，需要選取一定傳播方向和一定頻率的光信號，在最優(yōu)越的條件下進(jìn)行放大，同時將其它方向和頻率的光信號抑

8、制，使.獲得方向性和單色性很好的強(qiáng)光激光。因此可以在激活介質(zhì)兩端安放具有選擇性的光學(xué)諧振腔來達(dá)到這一目的。1.3激光產(chǎn)生的條件綜上所述可知，產(chǎn)生激光的條件有工作物質(zhì)在激勵能源的激勵下實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和光學(xué)諧振腔使受激輻射不斷放大。除此之外，還必須滿足增益條件。我們用增益系數(shù)G來描述介質(zhì)對光的放大能力，只有在諧振腔中實(shí)現(xiàn)激光振蕩不斷加強(qiáng)才能產(chǎn)生激光，而要實(shí)現(xiàn)激光振蕩不斷加強(qiáng)的必要條件是：R1R2e2Gl1其中R1，R2為諧振腔兩鏡的反射率，I1為發(fā)出光強(qiáng)，l為腔長。對于給定的光學(xué)諧振腔R1，R2和l固定，因此，要想實(shí)現(xiàn)激光振蕩加強(qiáng)，增益系數(shù)G必須大于R1R2e2Gl =1時的增益系數(shù)Gm，即G

9、Gm。2.飛秒激光脈沖的產(chǎn)生飛秒光脈沖是指持續(xù)時間為10-12s10-15s的激光脈沖，這種激光脈沖具有極高的峰值功率，很寬的光譜寬度和極短的激光發(fā)射時間等特點(diǎn)。2.1 飛秒激光脈沖技術(shù)I(v)I(v0)v0vI(v0)/2V0圖3 光譜線及其寬度2.1.1鎖模技術(shù)我們知道，光的單色性好壞用譜線寬度v來描述，如圖3所示，v0是中心頻率，v愈小，譜線愈窄，光的單色性愈好。但受各種因素的影響，激光器通常是多頻輸出的。我們把激光器輸出的每一個諧振頻率稱為一個縱模，即一般激光器是多縱模輸出的。而且，在激光的橫截面上可以觀察到光強(qiáng)有一定的穩(wěn)定分布。這種光強(qiáng)橫向不同的穩(wěn)定分布稱為橫模。其中單縱模和基橫模（

10、橫截面為圓形光斑）在實(shí)際應(yīng)用中最普遍。產(chǎn)生飛秒激光的通用技術(shù)是激光鎖模技術(shù)。一般來說，激光躍遷有一個有限的線寬，在這整個線寬內(nèi)它能提供光增益，所以激光發(fā)射同樣也有一個有限光譜寬度v。在增益帶寬內(nèi)含有大量模頻率，如果激光器在許多頻率上獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，則由于相位的隨機(jī)性而無法產(chǎn)生超短脈沖。為了產(chǎn)生超短脈沖，各個模式必須相位鎖定，使它們在空間的某點(diǎn)相長相加，而在別處相消相加。如圖4所示，通常，鎖模方法有兩種：主動鎖模和被動鎖模。放大器調(diào)制器放大器非線形損耗(a)(b)圖4 主動鎖模(a)和被動鎖模(b)主動鎖模技術(shù)是在激光腔內(nèi)放置一個激光調(diào)制器，該調(diào)制器的調(diào)制信號是與激光束往返時間匹配的時鐘信號，因此激光

11、經(jīng)過這種調(diào)制器后，其光電場幅度或相位受到調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)激光鎖模；被動鎖模技術(shù)是通過放置在激光腔內(nèi)的與光強(qiáng)有關(guān)的非線形器件對激光場本身產(chǎn)生自動調(diào)制來實(shí)現(xiàn)鎖模的。2.1.1.1光克爾效應(yīng)與自聚焦克爾效應(yīng)：克爾在1875年發(fā)現(xiàn)，線偏振光通過有外加電場作用的玻璃時，會變成橢圓偏振光，當(dāng)旋轉(zhuǎn)檢偏器時，輸出光不消失。這種現(xiàn)象表明，玻璃在外加恒定電場的作用下，由原來的各向同性變成了光學(xué)各向異性，外加電場感應(yīng)引起了雙折射，其折射率的變化與外加電場的平方成正比。從非線形光學(xué)來看，克爾效應(yīng)是外加恒定電場和光電場在介質(zhì)中通過三階非線性極化率產(chǎn)生的三階非線性極化效應(yīng)。檢偏器玻 璃線形偏振光橢圓偏振光起偏器E圖5 克爾

12、效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖光克爾效應(yīng)：如果把克爾效應(yīng)中的恒定電場用另一光電場代替，即在一頻率為的光電場作用于介質(zhì)的同時，還有另外一束任意頻率為1的光電場作用于該介質(zhì)。則由于1光電場的作用會使介質(zhì)對光波的作用有所改變，通過三階非線性極化效應(yīng)，將產(chǎn)生與頻率1光電場平方有關(guān)的三階非線性極化。光克爾效應(yīng)可以提供改變光波偏振狀態(tài)的方法。激光束的自聚焦：自聚焦是感生透鏡效應(yīng)，這種效應(yīng)是由于通過非線性介質(zhì)的激光束的自相位作用使其波面發(fā)生畸變造成的?，F(xiàn)假定一束具有高斯橫向分布的激光在介質(zhì)中傳播，此時介質(zhì)的折射率為n=n0+n(|E|2),其中n(|E|2)是由光強(qiáng)引起的折射率變化。當(dāng)n為正值時，由于光束中心部分的光強(qiáng)較強(qiáng)

13、，則中心部分的折射率變化比光束邊緣部分的折射率變化大，因此，光束在中心比邊緣的傳播速度慢，結(jié)果使介質(zhì)中傳播的光束波面越來越畸變。如圖6所示，這種畸變好像是光束通過正透鏡一樣，光線本身呈自聚焦現(xiàn)象。但是，由于具有有限截面的光束還要經(jīng)受衍射作用，所以只有自聚焦效應(yīng)大于衍射效應(yīng)時，光才表現(xiàn)出自聚焦現(xiàn)象。即自聚焦效應(yīng)正比于n(|E|2)，衍射效應(yīng)反比于光束半徑的平方。因此，由于光束受自聚焦作用，自聚焦效應(yīng)和衍射效應(yīng)均越來越強(qiáng)。如果后者增強(qiáng)得快，則在達(dá)到某一最小截面（焦點(diǎn)）后，自聚焦光束將表現(xiàn)出衍射現(xiàn)象。但是在許多情況下，一旦自聚焦作用開始，自聚焦效應(yīng)總是強(qiáng)于衍射效應(yīng)，因此光束自聚焦的作用一直進(jìn)行著，直

14、至由于其它非線性光學(xué)作用使其終止。Zf圖6 光束在非線形介質(zhì)中的自聚焦現(xiàn)象2.1.1.2光克爾透鏡鎖模技術(shù)光克爾透鏡鎖模技術(shù)是在寬帶固體激光器中，利用與可飽和吸收體類似的機(jī)理來實(shí)現(xiàn)激光脈沖被動鎖模的重要技術(shù)。光克爾效應(yīng)產(chǎn)生的類可飽和吸收體的恢復(fù)時間小于1fs，這種超快恢復(fù)時間對脈沖形成十分有利，它對脈沖的壓縮從脈沖形成初期一直到穩(wěn)定的脈沖輸出都占統(tǒng)治地位，最終輸出的脈沖寬度取決于增益帶寬和腔體的總色散。通常在激光腔中都有一個色散脈沖形成機(jī)制，它所導(dǎo)致的時間自相位調(diào)制意味著空間的波前調(diào)制，也就是自透鏡效應(yīng)，幾乎在所有的超短脈沖鎖模激光器中自透鏡效應(yīng)都會發(fā)生。自透鏡效應(yīng)將改變腔模尺寸，使得通過光闌

15、的透過率變化或者腔模和泵浦模的空間重合程度發(fā)生變化而導(dǎo)致?lián)p耗的變化。對于因自透鏡效應(yīng)從共焦腔變到平面平行腔的極端情況，腔模的間距變化了兩倍。所以，鎖模不要求激光器是單純的橫模，人們可以建立橫模間距等于縱模間距的腔，其優(yōu)點(diǎn)是模體積更大，更有效地獲取增益。2.1.2選模技術(shù)基模與高階模相比，具有亮度高、發(fā)散角小、徑向光強(qiáng)分布均勻等特點(diǎn)。諧振腔內(nèi)達(dá)到振蕩條件的縱模數(shù)決定激光的單色性，在某些重要的應(yīng)用當(dāng)中，都要求縱模數(shù)被限制在某一范圍內(nèi)，以保證足夠的單色性和空間相干性。然而，大多數(shù)激光器的輸出總是多模的，為了達(dá)到某些特定的使用要求，必須采用選模技術(shù)，以獲得單基模輸出。2.1.2.1橫模選擇技術(shù)激光振蕩

16、的條件是增益系數(shù)G必須大于損耗系數(shù)a。橫模選擇的實(shí)質(zhì)是使基橫模達(dá)到振蕩條件，而使高階橫模的振蕩受到抑制。對穩(wěn)定腔來說，一般的選橫模措施是合理地選擇腔的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在諧振腔中插入一個適當(dāng)光孔尺寸的光闌，以抑制高階橫模振蕩，獲得基橫模輸出。而非穩(wěn)定腔，它不僅具有模體積大的優(yōu)點(diǎn)，而且其自身的橫模選擇能力較強(qiáng)，相鄰橫模之間有較大的損耗差異，因此容易實(shí)現(xiàn)大模體積的基橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。2.1.2.2縱模選擇技術(shù)為了達(dá)到縱模選擇的目的，一般可采取兩種方法：干涉選模法和縱模選擇增強(qiáng)法。前者利用腔內(nèi)的法布里珀羅（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具或復(fù)合腔等措施，使得激光器主振蕩模得以加強(qiáng)，而抑制其它縱模達(dá)到振蕩閥值，后者是采用改變系統(tǒng)

17、的某些參數(shù)的方法進(jìn)一步增強(qiáng)諧振腔中已具備的選模作用。2.1.3調(diào)Q技術(shù)調(diào)Q技術(shù)是激光發(fā)展史上的重要突破之一，其特點(diǎn)是將激光能量壓縮在很短的時間內(nèi)發(fā)射，從而很大的提高了激光脈沖的亮度和功率。調(diào)Q技術(shù)是借助某種措施，調(diào)節(jié)諧振腔的損耗，使受激輻射迅速地形成和增強(qiáng)，從而輸出強(qiáng)大的激光脈沖。這種調(diào)節(jié)諧振腔的損耗實(shí)際上是調(diào)節(jié)諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q值，因此，使腔內(nèi)損耗突變以形成巨脈沖的技術(shù)稱為調(diào)Q技術(shù)。2.1.4穩(wěn)頻技術(shù)在許多實(shí)際應(yīng)用中，不僅要求激光器實(shí)現(xiàn)單頻輸出，還要求輸出光脈沖的頻率本身穩(wěn)定，為了達(dá)到這一目的，就必須采用穩(wěn)頻技術(shù)。通常用頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性這兩個物理量來描述激光頻率穩(wěn)定的程度。激光頻率的穩(wěn)定

18、方法大體上分被動式穩(wěn)頻和主動式穩(wěn)頻兩大類。前者是將激光器諧振腔反射鏡之間的間隔器采用膨脹系數(shù)小的材料制作，同時對整個激光器諧振腔系數(shù)進(jìn)行恒溫控制。也可選用膨脹系數(shù)分別為正和負(fù)的兩種材料以一定長度比例組合成諧振腔間隔器，在一定的溫度范圍內(nèi)，兩種材料的長度變化相互補(bǔ)償。后者是在穩(wěn)頻激光器中安放一個反射鏡，當(dāng)激光器的頻率偏離特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率時，通過一伺服控制系統(tǒng)，將頻率的偏離變成驅(qū)動壓電陶瓷的誤差信號，由壓電陶瓷的伸縮來控制腔長，使其振蕩頻率重新靠近特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率，以達(dá)到穩(wěn)頻的目的。2.2飛秒激光脈沖的產(chǎn)生現(xiàn)在以摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器為例，討論飛秒激光脈沖的產(chǎn)生原理。如圖7所示，摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器在足

19、夠高的泵浦強(qiáng)度下工作，腔內(nèi)激光在鈦寶石晶體中的功率密度約達(dá)到1.0MW/cm2時，由于高強(qiáng)度光場與介質(zhì)的相互作用，導(dǎo)致光束自聚焦，產(chǎn)生光克爾透鏡效應(yīng)。由于光克爾透鏡和光闌（狹縫）構(gòu)成的幅度調(diào)制器的作用，使脈沖前沿和后沿的損耗大于中部峰值損耗，從而使脈沖壓縮。這種脈沖光在腔內(nèi)循環(huán)被放大與壓縮，并通過增益競爭就可以輸出穩(wěn)定的飛秒光脈沖。但是實(shí)驗(yàn)證明，光脈沖越短，脈沖光譜帶寬越寬，因此光脈沖在激光腔內(nèi)傳輸時會發(fā)生群速彌散，影響光脈沖的進(jìn)一步壓縮。為使激光器產(chǎn)生更短的光脈沖，必須在腔內(nèi)插入群速彌散補(bǔ)償器。這種群速彌散補(bǔ)償與自相位調(diào)制和克爾透鏡相結(jié)合，使各種鎖模機(jī)制之間達(dá)到最佳平衡，最終才能輸出穩(wěn)定的飛

20、秒激光脈沖。狹縫P2P1泵浦光束L1M1M0TiSM3M2TW圖7 KLM鎖模摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器結(jié)構(gòu)圖摻鈦藍(lán)寶石的熒光帶寬大于400nm（光譜范圍為6901100nm），理論上，摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器可支持產(chǎn)生12fs的光脈沖。但實(shí)際上，由于超短脈沖形成機(jī)理之間的相互制約，一般獲得的脈沖寬度約為10fs。如果采用啁啾鏡和石英棱鏡對共同補(bǔ)償摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器中的群速彌散，可以進(jìn)一步壓縮脈沖寬度。為了獲得極窄的脈沖，增益介質(zhì)（TiS）應(yīng)盡可能短，以減少三階色散。為保證激光器有足夠的增益，必須選擇高摻雜濃度的短棒作為增益介質(zhì)。3.飛秒激光器的基本特點(diǎn)及其應(yīng)用3.1 飛秒激光器的基本特點(diǎn)飛秒激光器的

21、主要特點(diǎn)是超高速和超強(qiáng)電場。飛秒激光脈沖的峰值功率非常高，一旦將這種光聚焦到很小的范圍內(nèi)就有可能無熱影響地照射材料使其直接電離，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電場和磁場。飛秒激光照射在材料上時，材料對光子的吸收機(jī)理與普通激光加工時的光子吸收機(jī)理不同。如圖8所示，在普通激光加工當(dāng)中，能量低時光子則不被吸收，而飛秒激光的光子密度較大，即使單光子的能量比吸收光譜的能量小也可能被材料吸收。飛秒激光加工通過聚光透鏡的聚光點(diǎn)產(chǎn)生多光子吸收，從而實(shí)現(xiàn)對材料內(nèi)部的加工。而且飛秒激光照射時不會產(chǎn)生熱變形和熱變質(zhì)等損傷，也不會對隨溫度升高而產(chǎn)生物理變化的半導(dǎo)體材料、脆性材料造成損傷，并可實(shí)現(xiàn)高精密加工。3.2飛秒激光器的應(yīng)用由于

22、飛秒脈沖的優(yōu)異特性，使它在許多方面得到重要的應(yīng)用。本文將對飛秒激光器在加工、通信等方面的應(yīng)用分別加以介紹。3.2.1飛秒激光器在材料加工中的應(yīng)用最低能量光子光子激勵能量(a)(b)圖8 普通激光吸收(a)和飛秒激光吸收(b)過程3.2.1.1加工原理無論是一般加工還是微加工，激光對材料加工的效果通常表現(xiàn)為材料結(jié)構(gòu)得到一定的修復(fù)、調(diào)整或去除。飛秒激光脈沖和材料作用過程中，材料中的電子通過對入射激光的多光子非線性吸收方式獲得受激能量，獲得的能量僅在幾個納米厚度的吸收層上迅速聚積，聚積的時空分布取決于材料加工的需要。作用區(qū)域內(nèi)的溫度瞬間急劇上升，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的熔化和汽化溫度值，使物質(zhì)發(fā)生高度電離，

23、最終處于前所未有的高溫、高壓和高密度的等離子體狀態(tài)。由于受輻射持續(xù)時間只有飛秒量級，遠(yuǎn)小于材料中受激電子通過轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化等形式的能量釋放時間，因而從根本上避免了熱擴(kuò)散的存在和影響。同時飛秒量級脈沖有著非常高的瞬時功率，產(chǎn)生的光電場強(qiáng)度比原子內(nèi)部庫侖場高數(shù)倍，材料內(nèi)部原有的束縛力已不足以遏止高密度離子、電子的迅速膨脹，最終使作用區(qū)域內(nèi)的材料以等離子體向外噴發(fā)的形式得到去除，實(shí)現(xiàn)了激光對材料的非熱熔性加工，從而達(dá)到精密加工的目的。3.2.1.2材料加工中的應(yīng)用飛秒激光以其獨(dú)特的超短持續(xù)時間和超強(qiáng)峰值功率開創(chuàng)了材料超精細(xì)、低損傷和空間三維加工處理的新領(lǐng)域，而且應(yīng)用越來越廣泛。對金屬材料的加工應(yīng)用。對一

24、般金屬來說，由于具有很高的熱導(dǎo)性和較高的熔點(diǎn)溫度，在其表面實(shí)現(xiàn)高精度和高質(zhì)量的鉆孔和切割有很大的困難。用傳統(tǒng)的紅外波長激光切割不銹鋼板料，邊緣凹凸不平，表面有溶渣，這是因?yàn)椴牧先コ峭ㄟ^熔化和蒸發(fā)獲得的。由于汽化過程的反沖壓力，導(dǎo)致了液相材料的向外膨脹，從而造成環(huán)繞加工位置邊緣“冠狀物”的存在，因而大大降低了加工質(zhì)量和清潔度。而用飛秒激光切割，切縫的邊緣整齊，金屬表面沒有材料熔化的痕跡。飛秒激光精密成形技術(shù)已在汽車發(fā)動機(jī)噴油嘴的成形生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，用飛秒激光精密成形微孔技術(shù)已替代了原先電火花加工工藝，孔的清潔度得到大大提高。對非金屬材料的加工應(yīng)用。對非金屬材料加工中使用納秒級脈沖時， 由于熱

25、擴(kuò)散，在照射區(qū)的外側(cè)會形成熔融相，因此用它加工石英和玻璃等光學(xué)材料時的一個大問題就是由于熔融相造成的熱應(yīng)力將會在加工小孔的周圍產(chǎn)生裂縫。傳統(tǒng)的紅外波長的激光對大多數(shù)透明的玻璃甚至根本無法加工，飛秒激光的出現(xiàn)，使這一問題得到了很好的解決。對透明材料的加工應(yīng)用。在透明材料中的應(yīng)用主要指制造光纖通信器件。用飛秒激光器可以在工件內(nèi)部進(jìn)行加工，而且不損傷材料表面，因此可以通過改變晶體的折射率，實(shí)現(xiàn)透明晶體內(nèi)部形成光波導(dǎo)或在光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)折射，并且可以實(shí)現(xiàn)三維激光存儲。此外還可以對光子晶體、藍(lán)寶石、金剛石、水晶等進(jìn)行加工制作。對半導(dǎo)體材料的加工應(yīng)用。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料加工是采用激光照射，利用材料的應(yīng)變，并以熱變

26、質(zhì)的方式達(dá)到實(shí)用化。而采用飛秒激光器加工材料不僅使材料表面幾乎沒有熱變質(zhì)層，而且也避免了由熱變質(zhì)引起的材料損傷，可以實(shí)現(xiàn)微米級的加工。對聚合復(fù)合物材料的加工應(yīng)用。傳統(tǒng)的激光加工方法依賴于單光子線性吸收機(jī)制，加工精度較低，空間加工能力差。而超高峰值強(qiáng)度的飛秒激光為加工這類材料提供了必要條件。飛秒激光還可用于切割分離一些高爆危險物品，這是因?yàn)轱w秒激光脈沖作用過程中等離子體的形成和材料的去除均非?？焖伲灾劣跊]有過多的能量傳遞給剩余材料，沒有任何化學(xué)反應(yīng)痕跡，使得其加工處理過程中的安全性大大增加。對薄膜材料的加工應(yīng)用。光掩膜是微（光）電子制備工業(yè)的支柱，成本極高。光掩膜是由光刻工藝制備的，但由于結(jié)構(gòu)

27、極其復(fù)雜，且為多步工藝，經(jīng)常存在缺陷需要修改。修改光掩膜要求：（1）不能損傷襯底材料；（2）不能影響修改位置周圍區(qū)域膜層的質(zhì)量，并且不能有殘渣形成；（3）不能影響修改位置襯底的透明度；（4）修改方法應(yīng)能除去最小尺度的缺陷。因此就顯露出飛秒激光掩膜修改的優(yōu)勢條件?；诙喙庾游蘸碗婋x基礎(chǔ)上的飛秒激光加工，是一種“冷”的精確切割工具。它不僅可以使機(jī)械加工得到前所未有的超高精度和清潔度，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)激光無法應(yīng)付的超導(dǎo)體、半導(dǎo)體及陶瓷等多種特殊材料進(jìn)行表面加工處理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)修復(fù)操作。在材料加工方面，飛秒激光器主要在微加工方面具有其獨(dú)特的應(yīng)用。3.2.2飛秒激光器在光通信中的應(yīng)用能否實(shí)現(xiàn)光纖通信的

28、一個關(guān)鍵問題就是光纖的光強(qiáng)損耗能否降低到10Db/km以下，如果損耗過大，光纖通信就沒有實(shí)際意義。而且在新一代光通信網(wǎng)絡(luò)中，光子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是一個關(guān)鍵問題。光子節(jié)點(diǎn)需要用到各種各樣的光開關(guān)，實(shí)現(xiàn)光信息系統(tǒng)中大容量信息在網(wǎng)絡(luò)光路中高速分組切換與選擇吸收。這些光開關(guān)的動作必須由光子來觸發(fā)，因?yàn)槠溟_關(guān)時間要求達(dá)到100fs的量級，用電子的方法不可能達(dá)到這樣的速度。飛秒激光由于其高光強(qiáng)、高頻率、相干性好等特殊性，使得它在光纖通信應(yīng)用方面占有了絕對的優(yōu)勢。半導(dǎo)體器件是光通信中的重要部分，目前光通信的通信碼率已經(jīng)達(dá)到了20Gbit/s以上。雖光纖通信的容量很大，但超高速的通信碼率受到光電子器件材料的響應(yīng)

29、時間的限制，不能適應(yīng)超高速光通信的需要。我們可以利用飛秒激光相干控制技術(shù)達(dá)到這一需求。在這一技術(shù)中，利用兩個相干的飛秒脈沖激發(fā)半導(dǎo)體器件，第一個脈沖在器件中產(chǎn)生相干性好的載子布居，然后調(diào)節(jié)第二個脈沖的相位，利用兩光脈沖的相干實(shí)現(xiàn)開關(guān)作用。這樣便能解決因材料本征能級壽命較長造成的關(guān)斷變慢的限制，開與關(guān)的時間取決與兩個飛秒脈沖的時間間隔因而可以做得更快，最終能達(dá)到的速度只受量子力學(xué)原理限制。波分復(fù)用、時分復(fù)用和光孤子通信是實(shí)現(xiàn)高速光纖通信的主要手段。3.2.3飛秒激光器在科學(xué)技術(shù)研究中的應(yīng)用近年來，由于超強(qiáng)電磁場的出現(xiàn)，使利用微擾論無法處理的現(xiàn)象可能得到解決。在激光電磁場中，當(dāng)聚光波長為1m光強(qiáng)達(dá)

30、到 1018 W/cm2時，電子能量為100keV，而電磁場中的振動速度接近光速。當(dāng)光強(qiáng)超過這一數(shù)值時，在電子能量增加的同時，質(zhì)量也隨之增大。原子和分子處于高強(qiáng)度的激光電磁場中，容易丟失電子而形成離子。在強(qiáng)電場中施加飛秒時間，苯或二氧芑這樣的分子將發(fā)生不改變形狀的離子化。在更強(qiáng)的電場中，電子瞬時被捕獲，剩余的同性離子因庫侖力而排斥，這種現(xiàn)象被稱為庫侖爆炸。在高能物理及核物理方面，飛秒脈沖超強(qiáng)電場的應(yīng)用備受關(guān)注。如前所述，這種超強(qiáng)電場能夠非常容易地產(chǎn)生相對電子并能對原子和分子直接加工。用超過1020 W/cm2的光強(qiáng)照射目標(biāo)時，能夠獲得高于10MeV能量的電子，隨之還產(chǎn)生高亮度的射線。如果高能電

31、子與諧波超強(qiáng)脈沖相互作用，則會產(chǎn)生高諧波的康普頓散射現(xiàn)象，并產(chǎn)生具有數(shù)GeV能量的光子。用低強(qiáng)度的飛秒激光脈沖照射光電陰極將產(chǎn)生飛秒電子脈沖，這種脈沖將成為高亮度電子源。當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到太瓦級時，則很容易產(chǎn)生非線性現(xiàn)象。在1個大氣壓的氣體中，飛秒激光能自動地改變折射率，由于位相的變化而產(chǎn)生相干白光，利用這一現(xiàn)象可進(jìn)行大氣觀測和氣溶膠的測量。利用飛秒激光的超高速性能可形成物質(zhì)的非正常單一量子狀態(tài)，而且分子的運(yùn)動可用光直接控制。在數(shù)十飛秒的脈沖內(nèi)，光電場只有幾個周期，因此控制脈沖內(nèi)電場的位相就能控制原子和分子的反應(yīng)。3.2.4飛秒激光器在化學(xué)、生物和醫(yī)療中的應(yīng)用3.2.4.1飛秒激光器在化學(xué)、生物中

32、的應(yīng)用近年來，用飛秒激光控制化學(xué)反應(yīng)過程和產(chǎn)物是化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程研究的新進(jìn)展，而在生物學(xué)研究中主要集中在細(xì)菌綠素光合作用反應(yīng)中心和視紅質(zhì)天線分子的電荷遷移和能量弛豫動力過程。超短脈沖可能的高時間分辨對化學(xué)和生物化學(xué)動力學(xué)研究是吸引人的。光合作用之類的反應(yīng)，其第一步首先涉及溶劑化過程, 這個過程發(fā)生于100fs時間尺度上，分子鍵也可在100fs時間尺度上形成和斷裂。為了觀測動力學(xué)過程, 探測脈沖必須短得多，10fs持續(xù)時間是非常合適的脈寬。在短時間尺度上, 人們實(shí)際可看清脈沖的周期并通過用標(biāo)準(zhǔn)波形對電子的輻照來控制電子，這種操縱可用于控制化學(xué)反應(yīng)、原子過程或X射線的產(chǎn)生。在生物領(lǐng)域，科學(xué)家們?nèi)?/p>

33、開展關(guān)于制造基因、蛋白質(zhì)分析用的微型芯片的應(yīng)用研究。3.2.4.2飛秒激光器在醫(yī)療中的應(yīng)用飛秒激光器已經(jīng)廣泛永遠(yuǎn)于眼科、手術(shù)外科、腦神經(jīng)外科等醫(yī)療領(lǐng)域，并且取得了初步成果。應(yīng)用飛秒脈沖技術(shù)對糖尿病引起的青光眼或斑疹水腫之類的視網(wǎng)膜疾病的診斷和監(jiān)視特別有希望, 原因是它可以測量這種疾病的發(fā)展進(jìn)程。在較長脈沖情況下, 燒蝕閾值存在較多不確定因素, 在能量過剩情況下,較長脈沖具有燒壞周圍區(qū)域的危險。在幾百飛秒狀態(tài)下, 激光脈沖可以調(diào)節(jié), 從而避免了間接損傷。飛秒激光的熱影響很小，用它做手術(shù)刀不會損傷周圍的其他組織，對于心肌梗塞、脊髓手術(shù)、近視矯正手術(shù)，飛秒激光將是理想的選擇。用飛秒激光照射人的角膜，

34、可以進(jìn)行比ArF準(zhǔn)分子激光更細(xì)微的視力矯正手術(shù)。利用激光的吸收性可以治療齲齒而幾乎沒有疼痛。此外，飛秒激光還可對細(xì)胞進(jìn)行操控。用顯微鏡把飛秒激光會聚成微小光點(diǎn)，利用激光產(chǎn)生的沖擊波將分裂的細(xì)胞分離開的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)取得了成功。4.飛秒激光器發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景4.1 飛秒激光器發(fā)展現(xiàn)狀飛秒激光器目前主要存在四大類別：其一是由有機(jī)染料為介質(zhì)的飛秒染料激光器。不同染料可以輸出不同波長的飛秒激光脈沖，它覆蓋了從紫外到近紅外波段，但最有效的還是集中在紅光波段。隨著固體、半導(dǎo)體、光纖飛秒激光器的崛起，飛秒染料激光器在紅外和紫外波段已經(jīng)失去了競爭能力，但在可見波段，特別是在紅光區(qū)域仍被廣泛的應(yīng)用在時間分辨光譜，半

35、導(dǎo)體載流子快速弛豫過程和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程的研究中。其二是以摻鈦藍(lán)寶石，Li：SAF，摻鎂橄欖石等固體材料為介質(zhì)的飛秒固體激光器。由于這種固體材料具有比染料更寬的調(diào)諧范圍，更大的飽和增益通量和更長的激光上能級壽命，使其在飛秒激光運(yùn)轉(zhuǎn)的許多特性都優(yōu)于染料激光器，加之固體材料具有更穩(wěn)定的光學(xué)性質(zhì)和更緊湊的結(jié)構(gòu)，使得飛秒固體激光器在很短的時間里發(fā)展成為飛秒激光技術(shù)的主體。其三是以多量子阱材料為代表的飛秒半導(dǎo)體激光器。超短脈沖半導(dǎo)體激光器的研究在很長時間里始終沒有跨越皮秒級，直到將多量子阱材料引入到短脈沖半導(dǎo)體激光器中，才使超短脈沖半導(dǎo)體激光器成為飛秒激光家庭中的重要成員。飛秒半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用于高

36、比特多路通信，超長距孤子光纖通信等領(lǐng)域。其四是以摻雜稀土元素的SiO2為增益介質(zhì)的飛秒光纖激光器。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，小巧，高效率，低損耗，負(fù)色散和全光學(xué)，其波長適用于光通信，特別適用于孤子傳輸?shù)难芯俊ｏw秒激光器的發(fā)展主要有兩個方向：一個是脈沖寬度的進(jìn)一步壓縮；另一個是增益介質(zhì)的選取。而目前的發(fā)展主要體現(xiàn)在增益介質(zhì)的選取上。4.2飛秒激光器應(yīng)用前景材料加工是飛秒激光器主要而直接的應(yīng)用，由于飛秒激光具有許多無與倫比的優(yōu)點(diǎn)，使其在測量、微電子、微機(jī)電系統(tǒng)、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。隨著飛秒激光技術(shù)的日趨成熟，飛秒激光將在核物理、飛秒脈沖光譜學(xué)、超高速光通信等領(lǐng)域有著不可替代的地位。下面簡要介紹飛秒激光在固體材料加工和激光通信等幾個方面的應(yīng)用前景。(1)在純硅玻璃或摻鍺硅玻璃中，用可見飛秒激光可實(shí)現(xiàn)明顯的激光損傷和光致折射率改變。激光照射區(qū)域通過色心形成，晶格缺陷，甚至小區(qū)域熔化實(shí)現(xiàn)致密化，增大折射率。(2)利用飛秒激光還原稀土離子。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用飛秒激光照射Sm3+樣品后有Sm2+存在，并且發(fā)現(xiàn)通過420退火一小時后Sm2+又重新變?yōu)镾m3+，這使