超快激光

      什么是脈沖寬度？就是激光發(fā)射的時(shí)間長(zhǎng)短。

      想象一下，光在如此短的時(shí)間，能跑多遠(yuǎn)？假設(shè)地球上有個(gè)人將激光筆對(duì)著月亮，大概1.3秒后，激光就會(huì)達(dá)到月球表面。當(dāng)然得理想化一點(diǎn)，光沒(méi)有散射或損耗。而對(duì)于1皮秒的時(shí)間，光也就只能走頭發(fā)絲打個(gè)結(jié)的距離了。

      下面是時(shí)間單位換算的公式，可以看出1皮秒的時(shí)間有多短：

      1 秒(s)=10-0s=1s

      1 納秒(ns)=10-9s=0.000 000 001s

      1 皮秒(ps)=10-12s=0.000 000 000 001s

      1 飛秒(fs)=10-15s=0.000 000 000 000 001s

      工業(yè)激光器中皮秒激光器、飛秒激光器、以及科研領(lǐng)域比較熱的阿秒激光，這些都屬于超快激光的范疇。對(duì)于脈寬介于幾十皮秒和1納秒之間的激光器，行業(yè)人員不會(huì)將之稱為超快激光，而是稱之為亞納秒激光器。

      超快激光器根據(jù)波長(zhǎng)不同，又可以分為紅外皮秒、綠光皮秒、紫外皮秒等。

優(yōu)勢(shì)

      超快激光是激光領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一，作為一種新興的技術(shù)手段，在精密微細(xì)加工方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。超快激光產(chǎn)生的超短脈沖與材料相互作用時(shí)間極短，不會(huì)給周圍材料帶來(lái)熱影響，因此超快激光加工也被稱為冷加工。這是因?yàn)椋?dāng)激光脈沖寬度達(dá)到皮秒或飛秒量級(jí)，可以在很大程度上避免對(duì)分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，產(chǎn)生更少的熱影響。

      超快激光器的兩大核心訴求——高穩(wěn)定性的超短脈沖和高脈沖能量?？梢岳?span id="zqopqrs" class="hrefStyle">鎖模技術(shù)獲得超短脈沖，利用CPA放大技術(shù)獲得高脈沖能量，其中涉及的核心部件包括振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器等。

應(yīng)用

醫(yī)療領(lǐng)域

       飛秒激光視力矯正，也是大家比較熟悉的激光應(yīng)用之一。在眾多的近視矯正術(shù)中，全飛秒激光手術(shù)已經(jīng)成為主流治療近視眼的方法，與傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光手術(shù)相比，全飛秒激光手術(shù)具有手術(shù)準(zhǔn)確度高、無(wú)明顯疼痛感、術(shù)后視覺(jué)效果好等優(yōu)勢(shì)。

       由于心臟支架壁管極薄，通常采用激光加工代替常規(guī)的機(jī)械切割。但是，使用普通激光通過(guò)燒蝕融化來(lái)加工，這樣加工的心臟支架存在毛刺多、切槽寬度不統(tǒng)一、表面燒蝕嚴(yán)重、筋寬不均勻等一系列問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)外企業(yè)已經(jīng)開始采用飛秒激光進(jìn)行支架切割。

科研領(lǐng)域

       雙光子聚合技術(shù)(2PP)是一種“納米光學(xué)”3D打印方法，類似于光固化快速成型技術(shù)，未來(lái)學(xué)家 Christopher Barnatt認(rèn)為這種技術(shù)未來(lái)可能會(huì)成為主流3D打印形式。雙光子聚合技術(shù)的原理是通過(guò)使用“飛秒脈沖激光”選擇性固化感光樹脂。聽起來(lái)似乎像光固化快速成型，區(qū)別在于雙光子聚合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小層厚和X-Y軸分辨率均在100納米和200納米之間。換句話說(shuō)2PP 3D打印技術(shù)比傳統(tǒng)光固化成型技術(shù)精確度高了幾百倍，打印出來(lái)的東西比細(xì)菌還小。

顯示面板切割（貝塞爾光束）

       關(guān)于貝塞爾光束的激光應(yīng)用，國(guó)內(nèi)基本比較成熟了。最成功的案例，我想應(yīng)該就是激光切割顯示面板了吧。由于激光加工效率高，穩(wěn)定好，維護(hù)方便，目前激光倒角機(jī)已經(jīng)基本取代了機(jī)械式倒角機(jī)。

       這項(xiàng)激光加工技術(shù)的基本原理是通過(guò)超快激光的光束整形，獲得長(zhǎng)焦深的貝塞爾光束，作用于顯示面板的玻璃基板，實(shí)現(xiàn)任意形狀的切割。市場(chǎng)上的各種全面屏手機(jī)，例如劉海屏，水滴屏，美人尖等，這些屏幕外形基本都是采用超快激光切割獲得的。

       貝塞爾激光切割透明脆性材料，嚴(yán)格來(lái)講是包含兩個(gè)步驟，即切割+裂片。因?yàn)榧す馇懈詈螅牧喜⒉荒茏詣?dòng)脫落，而是需要借助外力實(shí)現(xiàn)裂片。而裂片的難度隨著切割材料的厚度增加，是明顯增大。對(duì)于切割較厚的材料，要么可以多次切割，來(lái)彌補(bǔ)切割焦深不夠的不足，要么提高激光脈沖能量，設(shè)計(jì)更長(zhǎng)焦深的切割頭。此外，技術(shù)上也有一些解決方法，例如burst-mode脈沖串模式。再不夠的話，那就得依靠激光技術(shù)的提升，獲得更高的脈沖能量了。

       而裂片，就相對(duì)復(fù)雜一些了。不僅僅是因?yàn)椴牧虾穸仍黾雍?，裂片的阻力明顯增大。還包括切割形狀（例如異形）、切割內(nèi)封閉圖形、材料特性等因素，使得裂片的難度和復(fù)雜性明顯增大。

和普通激光的區(qū)別

超快激光和普通激光的基本原理

       超快激光和普通激光的基本原理都是利用激光器產(chǎn)生的大量光子，對(duì)物質(zhì)內(nèi)部粒子進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，從而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)、光電子發(fā)射等物理現(xiàn)象。區(qū)別在于，超快激光的脈沖時(shí)間極短，一般在飛秒和皮秒級(jí)別，比普通激光的脈沖時(shí)間短幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于超快激光的千分之一秒級(jí)別的脈沖時(shí)間，可以在極短的時(shí)間內(nèi)將高能量聚焦到極小的空間內(nèi)，從而產(chǎn)生高能量密度的光束，更適合用于精細(xì)材料加工、醫(yī)學(xué)影像、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和高速通訊等領(lǐng)域。

超快激光和普通激光的應(yīng)用比較

       1、工業(yè)應(yīng)用

       普通激光在工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于材料加工，如激光切割、激光打標(biāo)、激光鉆孔、激光焊接等。而超快激光的應(yīng)用則更廣泛，可以用于精細(xì)加工，如生物藥品加工、電子元器件加工和光電子材料加工等。此外，超快激光還可以用于制造微米級(jí)別的3D立體結(jié)構(gòu)，為現(xiàn)代化制造業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇。

       2、醫(yī)療應(yīng)用

超快激光可以用于醫(yī)療領(lǐng)域的手術(shù)、診療和研究。例如，利用超快激光對(duì)角膜進(jìn)行準(zhǔn)確切割，可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的過(guò)程控制，提升了手術(shù)效果和成功率；利用超快激光進(jìn)行光學(xué)斷層掃描，可以實(shí)現(xiàn)更清晰的三維影像診斷。

       3、科學(xué)研究

       超快激光可以用于光學(xué)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的研究。例如，利用超快激光進(jìn)行光譜分析，可以對(duì)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、光電子傳輸機(jī)制等進(jìn)行深入探究；利用超快激光進(jìn)行高能粒子加速，可以模擬探究宇宙中物理現(xiàn)象。

超快激光的優(yōu)勢(shì)和瓶頸

       超快激光具有高精度、高穩(wěn)定性、高效率等優(yōu)勢(shì)，但也存在一些問(wèn)題，如技術(shù)成本較高、規(guī)?；瘧?yīng)用受限、對(duì)材料要求高等。這些問(wèn)題對(duì)于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和應(yīng)用拓展均提出了挑戰(zhàn)，需要在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)聯(lián)合和政策支持等方面尋求應(yīng)對(duì)之路。

超快激光的發(fā)展趨勢(shì)

       隨著科技的不斷發(fā)展和市場(chǎng)的不斷需求，超快激光應(yīng)用領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)將更廣泛和深入。例如，促進(jìn)新能源開發(fā)、推動(dòng)生物信息領(lǐng)域發(fā)展、加速智能制造和物聯(lián)網(wǎng)等方面的創(chuàng)新。在應(yīng)用和市場(chǎng)方面，超快激光的產(chǎn)業(yè)價(jià)值也將不斷提升。

       超快激光和普通激光各有特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域也不相同。隨著科技的不斷發(fā)展和市場(chǎng)的不斷需求，超快激光的應(yīng)用前景將更加廣泛和深入。作為新興技術(shù)的代表，超快激光的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用在不斷拓展，為人類的科學(xué)研究和生產(chǎn)制造帶來(lái)了更多的可能性。

原理與技術(shù)

       超快激光的原理與技術(shù)主要涉及激光的產(chǎn)生、脈沖寬度的控制以及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。以下是對(duì)超快激光原理與技術(shù)的詳細(xì)解析：

一、超快激光的原理

       1. 激光的基本原理

       激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，LASER）的工作原理基于受激發(fā)射放大。這一過(guò)程涉及原子的能級(jí)躍遷和光子的受激輻射。當(dāng)原子受到外界能量激發(fā)后，會(huì)從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在適當(dāng)?shù)臈l件下，高能級(jí)原子會(huì)受激輻射出與入射光子相同頻率、相位、傳播方向和偏振狀態(tài)的光子，從而實(shí)現(xiàn)光放大。

       2. 超快激光的定義

       超快激光通常是指脈沖寬度在皮秒（10-12秒）或飛秒（10-15秒）量級(jí)，甚至更短的激光脈沖。這種激光能夠在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高能量密度的光束，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的高精度、高效率加工和探測(cè)。

       3. 鎖模技術(shù)

       超快激光的產(chǎn)生主要依賴于鎖模技術(shù)。鎖模技術(shù)通過(guò)在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關(guān)系，使得這些模式之間的干涉產(chǎn)生一系列的脈沖，從而將激光器的輸出脈沖寬度減小到超短脈沖的水平。鎖模方法包括主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模和自鎖模等。

       在被動(dòng)鎖模中，常用的技術(shù)包括可飽和吸收體鎖模（如SESAM鎖模）和克爾鎖模（自鎖模）。SESAM鎖模通過(guò)可飽和吸收體的非線性吸收特性實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮和穩(wěn)定輸出；克爾鎖模則利用增益介質(zhì)的克爾非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)自聚焦和脈沖輸出。

二、超快激光的技術(shù)

       1. 脈沖產(chǎn)生與放大

       除了鎖模技術(shù)外，超快激光的脈沖產(chǎn)生還涉及光學(xué)參量放大器（OPA）或光學(xué)參量振蕩器（OPO）等裝置，這些裝置可以將種子光的能量進(jìn)行放大，從而獲得高能量的超快激光脈沖。

       啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）是實(shí)現(xiàn)超高峰值功率激光脈沖的重要技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)將脈沖在時(shí)域上進(jìn)行展寬、在頻域上進(jìn)行壓縮，從而降低脈沖的峰值功率密度并消除非線性效應(yīng)，進(jìn)而在放大過(guò)程中獲得更高的能量增益。放大后的脈沖再通過(guò)壓縮器恢復(fù)到超短脈沖寬度。

       2. 脈沖整形技術(shù)

       脈沖整形技術(shù)通過(guò)改變激光的波形和相位分布實(shí)現(xiàn)對(duì)激光脈沖的精確控制。這一技術(shù)對(duì)于提高超快激光的加工精度和探測(cè)能力具有重要意義。

三、超快激光的應(yīng)用

       1. 材料加工

       超快激光在材料加工領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，包括微細(xì)鉆孔、切割、焊接等。由于其脈沖寬度極短且峰值功率高，超快激光能夠在不引起周圍材料熱影響的情況下實(shí)現(xiàn)高精度加工。

       2. 生物醫(yī)學(xué)

       在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超快激光可用于光熱治療、光動(dòng)力治療等。其高精度和高效率的特點(diǎn)使得超快激光在生物組織無(wú)損探測(cè)和微觀操作方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

       3. 光學(xué)測(cè)量

       在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，超快激光可用于測(cè)量材料的折射率、厚度等參數(shù)。其高時(shí)間分辨率和單色性使得超快激光成為光學(xué)測(cè)量中的重要工具。

       4. 其他領(lǐng)域

       此外，超快激光還在光譜學(xué)、天文學(xué)、量子信息等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，在光譜學(xué)中，超快激光可用于研究物質(zhì)的瞬態(tài)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)行為；在天文學(xué)中，超快激光可用于探測(cè)遙遠(yuǎn)星系的物理性質(zhì)。

       綜上所述，超快激光的原理與技術(shù)涉及多個(gè)方面，包括激光的基本原理、鎖模技術(shù)、脈沖產(chǎn)生與放大、脈沖整形技術(shù)以及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，超快激光將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用。