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飛秒激光的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用已經(jīng)到來，未來可期！
以下文章來源于光電匯OESHOW
萬年孕一瞬
人類誕生以來，從古至今一直與時間這一最基本概念聯(lián)系在一起。遠古時期，人類就像目前的動物一樣，隨著一年四季氣候的變化，或遷徙，或入洞，其時間概念是年。
人類學(xué)會耕種進入農(nóng)業(yè)時代后，日出而作，日落而息，對時間的認(rèn)識已經(jīng)到了天的概念。人類開始制造測量時間的儀器已是幾千年前的事情，日晷、沙漏和時鐘的發(fā)明已使人類的時間概念精確到時、分。
16世紀(jì)開始后，以哥白尼為首掀起的天體運動研究熱潮和18世紀(jì)開始的第一次技術(shù)革命，促使人類對其周圍宏觀世界的運動進行科學(xué)地定量描述，涉及到的一個最基本物理量就是時間，最具代表性的例子就是牛頓第二定律所給出的那個簡潔、美妙、幾乎無處不用的公式：F=Ma，其中加速度a是以秒為單位的速度增量，而速度又是以秒為單位的物體運動距離，它雙重地含有了時間的概念，宏觀物體運動速度的計時精度到了秒的量級。對于宏觀、低速運動的描述，秒級的時間精度已經(jīng)可以了。
以玻爾和愛因斯坦為代表開創(chuàng)的原子物理、光量子物理的科學(xué)描述，使人類進入到原子、分子內(nèi)部的微觀世界，描述這些微觀世界快速運動的時間精度需要毫秒（10^-3 秒）、微秒（10^-6 秒）、納秒（10^-9 秒）、皮秒（10^-12 秒）和飛秒（10^-15秒），與此相應(yīng)發(fā)展起來的電子技術(shù)也先后可以產(chǎn)生毫秒、微秒、納秒和皮秒的電脈沖，用以研究物理、化學(xué)中電子運動的快速過程。
單靠電子技術(shù)無法產(chǎn)生飛秒脈沖。20世紀(jì)60年代誕生的激光技術(shù)為產(chǎn)生皮秒和飛秒光脈沖提供了一個新的技術(shù)手段。利用激光的鎖模技術(shù)，先在20世紀(jì)70年代實現(xiàn)了皮秒脈沖激光的運轉(zhuǎn)，繼而又于1981年實現(xiàn)了飛秒脈沖激光的運轉(zhuǎn)。至此，人類開始進入了一個嶄新的飛秒時代。
飛秒開新篇
飛秒激光技術(shù)的發(fā)展可以分為幾個階段。
1981-1990年，以染料激光為代表的第一代飛秒激光技術(shù)，它的誕生為物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域中原子、分子的快速運動提供了一個嶄新的探測手段，推進了超快現(xiàn)象這一新的研究領(lǐng)域的發(fā)展，從而開辟了飛秒激光技術(shù)超快新時代；
1991-2005年，以摻鈦藍寶石激光為代表的第二代飛秒激光技術(shù)，它用固體增益介質(zhì)取代了液體染料增益介質(zhì)，使飛秒激光運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性大大提高的同時，也提高了峰值功率，使飛秒激光技術(shù)不僅具有超快的時間特性，而且具有超強的功率特性，使飛秒激光不僅在超快現(xiàn)象研究領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用，而且成為諸如激光受控核聚變快速點火、新一代加速器、精密微納加工等大科學(xué)工程和前沿技術(shù)的重要支撐技術(shù)，從而開創(chuàng)了飛秒激光技術(shù)應(yīng)用的新時代；這期間以Yb摻雜的光纖及碟片飛秒激光器也逐漸成熟，并走向工業(yè)應(yīng)用。
2005年至今，以光子晶體光纖激光為代表的第三代飛秒激光技術(shù)，它將微納結(jié)構(gòu)引入增益介質(zhì)，代替原來的塊狀固體或普通光纖，使產(chǎn)生飛秒激光的主要物理機制變得可控、可調(diào)、可設(shè)計，且集多種功能于一身，使其具有高效率、高功率（平均）、高光束質(zhì)量、結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，從而使飛秒激光技術(shù)走向一種系統(tǒng)集成化和應(yīng)用普及化的通用技術(shù)的發(fā)展道路。
魅力無窮盡
飛秒激光的3個特點，吸引著眾多科研工作者的爭相研究，魅力無限。
一是脈沖寬度極短
飛秒激光脈沖的持續(xù)時間為10^-15 s，即飛秒（fs），它相當(dāng)于電子繞原子核半周的時間，以光速為30萬公里/秒計算，在1 fs的時間內(nèi)，光僅傳播了0.3 μm，可見飛秒這一單位的時間之微。這樣極端微小的時間在我們所看到的宏觀世界里是無法找到它的蹤跡的。
但是，在由基本粒子所組成的微觀世界里，其運動狀態(tài)的改變常常發(fā)生在飛秒這樣極其短暫的時刻，如分子的能量轉(zhuǎn)移、化學(xué)鍵的破裂和形成、原子的橫向馳豫和縱向馳豫，半導(dǎo)體中載流子的激發(fā)和復(fù)合等等。
正是由于這個緣故，在飛秒激光誕生后的相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，飛秒激光主要是用來研究物理、化學(xué)領(lǐng)域微觀過程超快現(xiàn)象的一個先進技術(shù)，從而在物理、化學(xué)和生物領(lǐng)域完成了大量的超快過程的研究，發(fā)現(xiàn)了大量的新的超快現(xiàn)象，解釋了大量原子、分子微觀運動規(guī)律，成為多個基礎(chǔ)學(xué)科研究領(lǐng)域中相當(dāng)引人矚目并獲得累累成果的研究方向。
二是脈沖峰值功率極高
飛秒激光的峰值功率是指脈沖持續(xù)時間內(nèi)所具有的瞬時功率，即E／τ，E 為飛秒脈沖包絡(luò)內(nèi)所攜帶的能量，τ為飛秒脈沖包絡(luò)的極大值一半處所對應(yīng)的時間寬度。由于τ為極短的10^-15 s量級，即使其攜帶的能量為毫焦耳量級（10^-3 J），其峰值功率也高達10^12 W（TW）以上，它相當(dāng)于全世界發(fā)電總功率之和。目前的飛秒激光放大系統(tǒng)可以輸出高達10^15 W（PW）峰值功率的光脈沖。
如此超強峰值功率的飛秒激光脈沖，聚焦之后其焦點區(qū)域內(nèi)所具有的電場強度已經(jīng)遠遠超過原子核對其價電子的庫倫力。在其作用下，任何固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)都會在瞬間變成等離子體。
由此發(fā)展起來的超快超強激光物理正在形成強場物理領(lǐng)域一個新的分支，并被應(yīng)用到激光受控核聚變、同步輻射加速器等大科學(xué)工程中。正在興起的飛秒激光微納精細加工技術(shù)也正是利用了飛秒激光超高峰值功率這一特點，在晶格熱傳導(dǎo)過程還來不及發(fā)生時，飛秒激光已經(jīng)在微納尺度內(nèi)完成去除物質(zhì)或使其改性的物理過程。
三是覆蓋頻譜范圍極廣
當(dāng)前由飛秒激光器直接輸出的波長主要集中在0.8~1.5 μm的近紅外波段，但是由它激發(fā)而產(chǎn)生的飛秒激光脈沖卻覆蓋了從X射線到太赫茲波這一廣闊領(lǐng)域，利用超強飛秒激光和電子束相互作用的湯姆遜散射效應(yīng)，可以產(chǎn)生相干的硬X射線，波長達0.4埃。
飛秒強激光與惰性氣體原子的相互作用而引發(fā)的高次諧波，可獲得軟X波段的相干輻射，波長可覆蓋數(shù)十納米至幾納米。飛秒激光在晶體中的二倍頻、四倍頻、六倍頻效應(yīng)可將近紅外的飛秒激光變換至可見、紫外、極紫外和真空紫外，直至150 nm，與高次諧波的軟 X波段相接。利用飛秒激光在晶體中的參量振蕩和參量放大過程，可以在近紅外，甚至中紅外波段實現(xiàn)寬頻譜范圍的調(diào)諧。
除此之外，利用飛秒激光在非線性介質(zhì)中的傳輸，可以發(fā)生自相位調(diào)制，四波混頻，孤子自頻移和超連續(xù)等多種非線性效應(yīng)，這些效應(yīng)都可以使飛秒激光器輸出的光脈沖從單一波長變換到紫外至紅外波段。特別值得提出的是，太赫茲波這一在大分子領(lǐng)域極具應(yīng)用價值的亞毫米波長的輻射，在人類征服了X射線－紫外－可見－紅外－無線電波的漫長時間之后，終于在20世紀(jì)80年代，借助飛秒激光技術(shù)，實現(xiàn)了10 μm ~ 3 mm波段的相干輻射。
潛龍翔九天
“工欲善其事，必先利其器”飛秒激光出現(xiàn)以來，科學(xué)家們歡欣鼓舞，他們擁有了最精準(zhǔn)的“魯班尺”、最鋒利的“巨闕劍”。利用這把精尺、這把利劍，他們窮極物理、發(fā)現(xiàn)未知。幾個與飛秒激光研究成果相關(guān)的諾貝爾物理獎、化學(xué)獎是對飛秒激光技術(shù)對科學(xué)技術(shù)貢獻最好的詮釋。
經(jīng)過近近四十年的發(fā)展，飛秒激光除了作為科學(xué)研究的利器，還在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了廣闊的天空。飛秒激光的非熱、冷加工屬性開始為人們所鐘愛，適用于一些其他加工方法無法實現(xiàn)的高精度、復(fù)雜形狀元器件的加工。對于超硬材料、易碎材料、高熔點材料、易爆材料的加工，更具有其他加工方法所無法企及的優(yōu)勢。目前，飛秒激光微加工已經(jīng)在消費電子、生物醫(yī)療、航空航天、信息技術(shù)、新能源、新材料等產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用并將繼續(xù)開疆拓土。
觀古今于須臾，撫四海于一瞬，飛秒激光技術(shù)時代已然開啟。
