超快激光

      什么是脈沖寬度？就是激光發(fā)射的時間長短。

      想象一下，光在如此短的時間，能跑多遠？假設地球上有個人將激光筆對著月亮，大概1.3秒后，激光就會達到月球表面。當然得理想化一點，光沒有散射或損耗。而對于1皮秒的時間，光也就只能走頭發(fā)絲打個結的距離了。

      下面是時間單位換算的公式，可以看出1皮秒的時間有多短：

      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、以及科研領域比較熱的阿秒激光，這些都屬于超快激光的范疇。對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)波長不同，又可以分為紅外皮秒、綠光皮秒、紫外皮秒等。

優(yōu)勢

      超快激光是激光領域重要的發(fā)展方向之一，作為一種新興的技術手段，在精密微細加工方面有著顯著優(yōu)勢。超快激光產(chǎn)生的超短脈沖與材料相互作用時間極短，不會給周圍材料帶來熱影響，因此超快激光加工也被稱為冷加工。這是因為，當激光脈沖寬度達到皮秒或飛秒量級，可以在很大程度上避免對分子熱運動的影響，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。可以利用鎖模技術獲得超短脈沖，利用CPA放大技術獲得高脈沖能量，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。

應用

醫(yī)療領域

       飛秒激光視力矯正，也是大家比較熟悉的激光應用之一。在眾多的近視矯正術中，全飛秒激光手術已經(jīng)成為主流治療近視眼的方法，與傳統(tǒng)的準分子激光手術相比，全飛秒激光手術具有手術準確度高、無明顯疼痛感、術后視覺效果好等優(yōu)勢。

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

科研領域

       雙光子聚合技術(2PP)是一種“納米光學”3D打印方法，類似于光固化快速成型技術，未來學家 Christopher Barnatt認為這種技術未來可能會成為主流3D打印形式。雙光子聚合技術的原理是通過使用“飛秒脈沖激光”選擇性固化感光樹脂。聽起來似乎像光固化快速成型，區(qū)別在于雙光子聚合技術能夠實現(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2PP 3D打印技術比傳統(tǒng)光固化成型技術精確度高了幾百倍，打印出來的東西比細菌還小。

顯示面板切割（貝塞爾光束）

       關于貝塞爾光束的激光應用，國內基本比較成熟了。最成功的案例，我想應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，維護方便，目前激光倒角機已經(jīng)基本取代了機械式倒角機。

       這項激光加工技術的基本原理是通過超快激光的光束整形，獲得長焦深的貝塞爾光束，作用于顯示面板的玻璃基板，實現(xiàn)任意形狀的切割。市場上的各種全面屏手機，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，嚴格來講是包含兩個步驟，即切割+裂片。因為激光切割后，材料并不能自動脫落，而是需要借助外力實現(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。對于切割較厚的材料，要么可以多次切割，來彌補切割焦深不夠的不足，要么提高激光脈沖能量，設計更長焦深的切割頭。此外，技術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的提升，獲得更高的脈沖能量了。

       而裂片，就相對復雜一些了。不僅僅是因為材料厚度增加后，裂片的阻力明顯增大。還包括切割形狀（例如異形）、切割內封閉圖形、材料特性等因素，使得裂片的難度和復雜性明顯增大。

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，對物質內部粒子進行能量轉移，從而引發(fā)化學反應、光電子發(fā)射等物理現(xiàn)象。區(qū)別在于，超快激光的脈沖時間極短，一般在飛秒和皮秒級別，比普通激光的脈沖時間短幾個數(shù)量級。由于超快激光的千分之一秒級別的脈沖時間，可以在極短的時間內將高能量聚焦到極小的空間內，從而產(chǎn)生高能量密度的光束，更適合用于精細材料加工、醫(yī)學影像、科學實驗和高速通訊等領域。

超快激光和普通激光的應用比較

       1、工業(yè)應用

       普通激光在工業(yè)領域主要應用于材料加工，如激光切割、激光打標、激光鉆孔、激光焊接等。而超快激光的應用則更廣泛，可以用于精細加工，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別的3D立體結構，為現(xiàn)代化制造業(yè)帶來新的機遇。

       2、醫(yī)療應用

超快激光可以用于醫(yī)療領域的手術、診療和研究。例如，利用超快激光對角膜進行準確切割，可以實現(xiàn)更精細的過程控制，提升了手術效果和成功率；利用超快激光進行光學斷層掃描，可以實現(xiàn)更清晰的三維影像診斷。

       3、科學研究

       超快激光可以用于光學學、物理學、化學等領域的研究。例如，利用超快激光進行光譜分析，可以對物質的分子結構、光電子傳輸機制等進行深入探究；利用超快激光進行高能粒子加速，可以模擬探究宇宙中物理現(xiàn)象。

超快激光的優(yōu)勢和瓶頸

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

超快激光的發(fā)展趨勢

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

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

原理與技術

       超快激光的原理與技術主要涉及激光的產(chǎn)生、脈沖寬度的控制以及其在各個領域的應用。以下是對超快激光原理與技術的詳細解析：

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。這一過程涉及原子的能級躍遷和光子的受激輻射。當原子受到外界能量激發(fā)后，會從低能級躍遷到高能級，形成粒子數(shù)反轉。在適當?shù)臈l件下，高能級原子會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，甚至更短的激光脈沖。這種激光能夠在極短的時間內產(chǎn)生高能量密度的光束，從而實現(xiàn)對物質的高精度、高效率加工和探測。

       3. 鎖模技術

       超快激光的產(chǎn)生主要依賴于鎖模技術。鎖模技術通過在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關系，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。鎖模方法包括主動鎖模、被動鎖模和自鎖模等。

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

二、超快激光的技術

       1. 脈沖產(chǎn)生與放大

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

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

       2. 脈沖整形技術

       脈沖整形技術通過改變激光的波形和相位分布實現(xiàn)對激光脈沖的精確控制。這一技術對于提高超快激光的加工精度和探測能力具有重要意義。

三、超快激光的應用

       1. 材料加工

       超快激光在材料加工領域具有廣泛應用，包括微細鉆孔、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現(xiàn)高精度加工。

       2. 生物醫(yī)學

       在生物醫(yī)學領域，超快激光可用于光熱治療、光動力治療等。其高精度和高效率的特點使得超快激光在生物組織無損探測和微觀操作方面具有顯著優(yōu)勢。

       3. 光學測量

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

       4. 其他領域

       此外，超快激光還在光譜學、天文學、量子信息等領域發(fā)揮著重要作用。例如，在光譜學中，超快激光可用于研究物質的瞬態(tài)過程和動力學行為；在天文學中，超快激光可用于探測遙遠星系的物理性質。

       綜上所述，超快激光的原理與技術涉及多個方面，包括激光的基本原理、鎖模技術、脈沖產(chǎn)生與放大、脈沖整形技術以及其在各個領域的應用。隨著技術的不斷進步和創(chuàng)新，超快激光將在未來發(fā)揮更加重要的作用。