超短脉冲激光及其应用
超短脉冲激光及其应用
空 军 工 程 大 学 学 报(自然科学版)第1卷第1期JOU RNAL O F A I R FO RCE EN G I N EER I N G U N I V ER S IT Y V o l.1N o.1 2000年4月(NA TU RAL SC IEN CE ED IT I ON)A p r.2000 a超短脉冲激光及其应用侯 洵(中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西西安 710068)摘 要: 评述了国际上超短脉冲激光技术的最新研究进展以及超短脉冲激光在超高速光通讯、海量信息存储、光合作用研究、化学反应过程研究等领域广泛的应用状况。
关键词: 超短脉冲激光;超快现象;光通讯;信息存储分类号: TN2 文献标识码:A 文章编号:100923516(2000)0120001205激光的出现是二十世纪最重要的发现之一,也是光学发展史上的第三个里程碑。
激光一出现即以其高度的方向性、相干性以及高强度而受到各方面的重视并迅速获得应用。
作为一种能量载体,它在加工与军事方面已经获得广泛应用。
例如机械加工、材料热处理、合成与微加工,激光测距、地基天基激光反导武器、致盲武器、激光制导炸弹等。
作为一种信息载体,它在信息的获取、传输、存贮、处理与显示方面也都获得了愈来愈广泛的应用。
激光自出现以来一直朝着提高功率、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以及全固态化、小型化以至微型化方向发展。
目前,它已经深入到国民经济、国防建设与人们日常生活的大多数领域,成为人们认识世界、改造世界、保卫国家、提高生活质量的有力工具。
激光技术包含的内容相当广泛,本文仅就其发展的最重要的前沿之一——超短脉冲激光及其应用谈一些情况,供读者参考。
1 超短脉冲激光发展的历史及现状脉冲激光技术自1965年用被动锁模红宝石激光器获得皮秒级脉冲而进入超短范围以来,发展十分迅速。
70年代中出现了对撞锁模环形染料激光器,使激光脉冲的宽度进入飞秒范围。
至80年代中,对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽度达到了27飞秒(fs)。
超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识
超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识一、本文概述超短脉冲激光，作为现代光学领域的璀璨明珠，以其独特的性质和应用价值，正逐渐引起人们的广泛关注和深入研究。
本文旨在全面介绍超短脉冲激光的基本概念、产生机制、特性以及其在各个领域中的应用，帮助读者更好地理解和应用这一前沿技术。
我们将首先概述超短脉冲激光的定义和特点，包括其脉冲宽度、峰值功率、光谱特性等基本属性。
接着，我们将探讨超短脉冲激光的产生方法，包括调Q技术、锁模技术、光参量放大等，并简要介绍各种方法的原理和应用场景。
在了解了超短脉冲激光的基本特性后，我们将重点介绍其在各个领域中的应用。
这些应用包括但不限于：光学精密测量、超快现象研究、材料加工、生物医学等。
我们将结合具体案例，详细阐述超短脉冲激光在这些领域中的独特优势和实际应用效果。
我们将对超短脉冲激光的发展前景进行展望，分析其在未来科学研究和技术应用中的潜在价值和挑战。
通过本文的阅读，读者将能够全面而深入地了解超短脉冲激光及其相关应用的基本知识，为其在未来的科研和工作中提供有益的参考和启示。
二、超短脉冲激光的基本原理超短脉冲激光，也被称为超快激光，其脉冲宽度通常在纳秒（ns）甚至更短的皮秒（ps）、飞秒（fs）量级。
这种激光技术的基本原理主要涉及到激光产生和控制的物理过程。
我们需要理解激光是如何产生的。
激光产生的关键在于实现粒子数反转，即高能级粒子数大于低能级粒子数。
当高能级粒子数足够多时，受激辐射将占据主导地位，从而产生激光。
超短脉冲激光的产生则需要在此基础上，进一步控制激光的振荡过程，以实现脉冲宽度的缩短。
超短脉冲激光的产生通常利用调Q技术或锁模技术。
调Q技术通过改变谐振腔的Q值（品质因数），使得激光能量在短时间内迅速积累并释放，从而得到高能量的超短脉冲。
而锁模技术则是通过特定的光学元件和控制系统，使得谐振腔内的多个振荡模式同步，形成单一的高强度超短脉冲。
超短脉冲激光的特性使其在许多领域具有广泛的应用。
超短脉冲激光技术在材料研究中的应用
超短脉冲激光技术在材料研究中的应用超短脉冲激光技术是一种先进的材料加工技术，它的出现极大地推动了材料研究的发展。
超短脉冲激光通过短时间内高能量的脉冲作用于材料表面，使得材料表面瞬间蒸发或者产生等离子体，从而实现材料表面微米级别的加工和改性。
下面将从材料加工、表面改性和生物医学三个方面介绍超短脉冲激光技术在材料研究中的应用。
一、超短脉冲激光在材料加工中的应用超短脉冲激光技术可以实现大尺寸、高精度、良好表面质量的材料微加工。
比如在制备微型元器件、工艺模具、精密机械等方面都有广泛应用。
此外，超短脉冲激光还能够实现“一正一反”微米级别的加工，对于金属、无机物甚至生物材料表面都有很好的加工效果。
二、超短脉冲激光在表面改性中的应用超短脉冲激光技术可实现微米级尺度的表面改性，如增强材料强度、提高材料的电学和光学性能。
对于复合材料、高强度陶瓷等高性能材料的制备过程中，超短脉冲激光技术能够使得材料的表面产生过渡层，从而增加材料的粘结强度和性能。
此外，超短脉冲激光也是改善金属表面抗腐蚀性能和耐磨性能的重要手段。
三、超短脉冲激光在生物医学中的应用超短脉冲激光技术还可以在生物医学领域中应用。
通过超短脉冲激光，细胞可以被定向破坏而不影响周围组织，这为细胞和组织的研究奠定了基础。
此外，还可以将超短脉冲激光用于眼科手术，如在眼科激光屈光（LASIK）手术中使用。
总之，超短脉冲激光技术的应用范围非常广泛，越来越多的行业开始使用这种先进的材料加工技术。
然而，这种技术也有一些问题需要解决。
例如，超短脉冲激光的使用需要十分精密的设备和实验条件，成本较高；此外，过度依赖超短脉冲激光技术也容易导致技术陈旧，需要不断更新和改进。
相信在科学家们的不断努力下，这些问题也将得到解决，超短脉冲激光技术也会在未来得到更广泛的应用。
《超短脉冲技术》课件
超短脉冲的波形控制
脉冲整形技术
通过改变脉冲的波形，实现脉冲能量的优化分配 ，提高脉冲的稳定性和可靠性。
脉冲压缩技术
通过光学元件的色散效应，将长脉冲压缩成短脉 冲，提高脉冲的峰值功率。
脉冲多路复用技术
将多个超短脉冲组合在一起，实现更高的输出功 率和更广泛的调谐范围。
超短脉冲的稳定性问题
1 2
模式跳变
激光雷达与测距
• 激光雷达与测距：超短脉冲激光雷达是一种高精度、高分辨率 的测距和定位技术。它利用超短脉冲的宽光谱和高重复频率特 性，能够实现高精度的距离和速度测量，被广泛应用于地形测 绘、无人驾驶、气象观测等领域。
原子分子光谱学研究
• 原子分子光谱学研究：超短脉冲 技术为原子分子光谱学研究提供 了新的手段。由于超短脉冲的宽 光谱特性和高峰值功率，它能够 产生瞬时的强光场，从而实现对 原子分子高分辨率和高灵敏度的 光谱测量。这种技术被广泛应用 于物理、化学和天文学等领域。
光纤损耗
光纤中的折射率不均匀、光纤弯曲和 杂质等都会引起光波散射，导致脉冲 能量损失。
空气损耗
超短脉冲在空气中传输时，会被空气 中的分子和气溶胶粒子吸收和散射， 造成能量损失。
04
超短脉冲的应用实例
超快光学成像
• 超快光学成像：超短脉冲技术被广泛应用于超快光学成像领 域。由于超短脉冲的极短持续时间和高峰值功率，它能够产 生瞬时的光场，从而在极短的时间内对物质进行高分辨率和 高灵敏度的成像。这种技术被广泛应用于生物医学、材料科 学和物理学等领域。
光纤放大
利用掺杂光纤作为增益介质，通过泵浦光激发电子-空穴对，实现 信号光的放大。
固态晶体放大
利用固态晶体中的非线性效应，实现信号光的放大。
超短脉冲激光技术
超短脉冲激光技术
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CONTENTS
主要内容
超短脉冲激光及其特点
一般超短激光脉冲：5飞秒~几百飞秒
一般是指时间宽度小于10^(-12)秒的激光脉冲
超短脉冲激光的特点
时间宽度非常短 光谱含量非常丰富 光脉冲峰值功率高 中科院物理所TW级飞秒激光装置
Dn
duration
Dt
DnDt = const.
主动锁模是采用周期性调制谐振腔参量的方法。 基本原理：在谐振腔中插入一个受外界信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性地改变腔内振荡模的振幅或相位。当选择调制频率等于纵模间隔时，对各个模的调制会产生边频，边频又与两个相邻纵模的频率相一致，由此引起模之间的相互作用。若调制的强度足够大，则使所有的振荡模达到同步，形成周期性的锁模脉冲序列。
被动锁模原理
01
02
被动锁模过程
经过多次往返，经过可饱和吸收体和增益介质的共同作用可以产生一个很短的脉冲
Short time (fs)
Intensity
Round trips (k)
k = 1
k = 7
超短脉冲激光器的研究与应用
超短脉冲激光器的研究与应用超短脉冲激光器是一种能够产生拥有极高强度和超短持续时间的激光束的设备。
它被广泛应用于科学研究、工业领域以及医疗领域。
本文将介绍超短脉冲激光器的原理、制造和应用。
一、超短脉冲激光器的原理超短脉冲激光器可以产生纳秒或皮秒级别的超短脉冲。
这种激光器的原理是使用长脉冲激光与非线性光学晶体相互作用，通过非线性效应将长脉冲激光转化为超短脉冲激光。
超短脉冲激光的产生是通过自发参量下转换的方式实现的。
当长脉冲激光通过非线性晶体时，晶体内的光学非线性效应会产生额外的频率组合。
这些频率组合将产生新的光波，并被反射回晶体中，与原来的激光束相互作用，最终产生超短脉冲。
二、超短脉冲激光器的制造超短脉冲激光器的制造需要使用光学晶体和半导体材料。
此外，还需要使用先进的光学器件和控制电路来实现激光器的操作和控制。
制造超短脉冲激光器的主要步骤包括选择光学晶体和半导体材料、设计和制造激光器的光学组件、控制电路的设计和安装、以及激光器的测试和校准。
超短脉冲激光器的性能受到多种因素的影响，包括激光器的波长、脉宽、能量和模式。
这些因素的选择和优化可以根据应用的需要进行调整。
三、超短脉冲激光器的应用超短脉冲激光器的应用范围非常广泛。
在科学研究方面，它被用于制备纳米结构和超快速动态过程的研究。
此外，超短脉冲激光还被用于制备微电子元件和纳米生物芯片等高精密度器件。
在工业领域，超短脉冲激光器被用于加工材料，例如改善表面质量和切割薄片。
另外，它还被用于制作光学元件和光学相干断层扫描等领域。
在医疗领域，超短脉冲激光器被用于进行激光手术、皮肤去除和其他美容技术。
此外，它还被用于制备人工晶体和医用器械等高精度器件。
四、超短脉冲激光器的发展趋势随着科学技术的不断进步，超短脉冲激光技术在不同领域中的应用越来越广泛。
未来，随着激光器材料和器件等技术不断成熟，超短脉冲激光器的性能和应用将会得到进一步的提升。
总之，超短脉冲激光器是一种极其重要的光学设备，应用范围广泛。
超短脉冲的获取方法及应用
超短脉冲的获取方法及应用超短脉冲是指时间长度非常短暂的电磁脉冲信号。
由于脉冲时间非常短，通常在皮秒（10^-12秒）甚至飞秒（10^-15秒）级别，超短脉冲具有极高的峰值功率和宽带频率特性，因此在科学研究和许多实际应用中得到了广泛关注。
要获取超短脉冲，一般采用以下几种方法：1. 模式锁定激光：最常见的方法是通过模式锁定技术获得超短脉冲激光。
模式锁定激光通过通过控制放大器和光纤等元件的特性，使光传播过程中不同模式的相位相互耦合，最终实现了超短脉冲的产生。
2. 非线性光学效应：通过利用非线性光学效应，如自相位调制（Self-Phase Modulation，SPM）、调制不稳定和双光子吸收等，可以将连续波光信号转化为超短脉冲。
这种方法适用于光纤而非气体激光介质。
3. 光学斯托克斯过程：通过非共线非相位匹配的非线性光学斯托克斯过程，将几个光子能量合并为一个光子，并使合并后的光子频率减小，从而得到超短脉冲。
这种方法常用于基于光学斯托克斯过程的光学放大器中。
超短脉冲在许多领域中具有广泛的应用，包括：1. 激光科学研究：超短脉冲激光可以提供极高的峰值功率和高能量密度，已广泛应用于激光物理、激光生物学、激光化学等领域的研究。
如超高时间分辨率的飞秒光谱学、非线性光学研究、光子晶体等。
2. 生命科学研究：超短脉冲激光在生物领域的应用主要包括生物成像、细胞操作和基因组研究等。
例如，基于多光子吸收现象的超短脉冲激光显微术成像技术可以实现高分辨率和深度成像，对生物、医学研究具有重要意义。
3. 材料加工与纳米制造：超短脉冲激光由于其极高的峰值功率和精细加工特性，已广泛应用于材料微加工、曲面精细加工、表面改性、激光蚀刻等领域。
还可以通过调控超短脉冲激光的参数，如能量密度、重复频率等，实现纳米材料制造、光子晶体制造等。
4. 高速通信技术：超短脉冲激光在光通信领域的应用主要是基于其游戏理论特性，提供了高速、高频宽的数据传输能力，如飞秒激光自由空间通信和光纤通信等。
短脉冲激光在精密加工中的应用
短脉冲激光在精密加工中的应用一、引言短脉冲激光是一种非常重要的工业制造技术，可以用于许多不同的加工应用。
短脉冲激光在精密加工中具有非常重要的应用，因为它可以提供高精度、高速度和高效率的制造能力。
本文将阐述短脉冲激光在精密加工中的应用，包括激光切割、激光打标、激光雕刻和激光焊接等方面。
二、短脉冲激光的基本原理短脉冲激光的波长通常在几百纳米到一千纳米之间，脉冲宽度在几纳秒到几百飞秒之间。
与传统的CO2激光器或固态激光器相比，短脉冲激光的能量密度更高、泵浦效率更高，并能够对材料进行更精确的加工。
短脉冲激光的震荡周期通常在几十皮秒到几百飞秒之间，这意味着它们可以产生非常高的峰值功率。
这种高功率可以在很短的时间内将材料加工并产生非常小的热影响区域。
三、激光切割激光切割是一种广泛应用于金属、塑料、木材等材料的切割工艺。
短脉冲激光可用于制造精密模具、钣金制造和汽车制造等领域。
在激光切割过程中，激光束被聚焦到非常小的区域，产生高功率密度。
这样可以很容易地切割各种不同形状的材料，并且不会在材料周围产生明显的裂纹和毁坏。
四、激光打标激光打标是一种非常重要的工业技术，它可以用于多种材料的标记和标识。
激光打标通常使用高功率的激光束将材料表面的一层薄膜蒸发掉，从而产生显著的标记。
这种技术可以应用于各种材料，例如玻璃、金属、塑料和陶瓷等等。
五、激光雕刻激光雕刻是一种将图像或文本刻在不同材料表面上的加工技术。
激光雕刻是一种无接触的技术，可以产生非常精细的纹理和图案。
使用短脉冲激光雕刻可以在很短的时间内将材料雕刻成非常精细的图案。
因此，它在珠宝、文具、玩具、眼镜和音响等领域得到了广泛的应用。
六、激光焊接激光焊接是一种快速且高效的加工技术，可以将许多不同类型的材料焊接在一起。
使用短脉冲激光焊接可以同时达到高精度和高速度。
这种技术在汽车、电子和航空航天等领域得到了广泛的应用。
七、总结短脉冲激光在精密加工中具有广泛应用，能够提供高精度、高速度和高效率的制造能力。
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④非接触，无飞溅无熔渣、无污染、不需特殊的气体环境和
无后续工艺。
飞秒激光加工微结构
飞秒激光加工具有孔边缘清晰、表面干净等特点
在金属薄膜上，钛宝石飞秒激光加工制备出了微纳米级阵列孔，孔径最小达2.5μm，
孔直径在2.5～10μm间可调，最小间距可达10μm，很容易实现10~50μm间距调整。
金属掩模板加工
飞秒激光微加工技术在一些特殊领域具有广阔的应用：
钻孔、切割高热导性、高熔点金属 (如铼、钛等)和高硬度金刚石。 安全切割一些高爆危险物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等，
避免了长脉冲激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，断面处没
有炸药熔化和反应的痕迹。但在研究切割雷管时，没有热效应，能 够安全切割。 利用飞秒激光观测分析物理化学反应本质，有望控制核聚变，以 获得可控的无污染核聚变能源。 将光频与波频联系起来的飞秒光梳技术，为更精确的频率机构一 光钟的诞生铺平了道路。
飞秒激光治疗近视
一、飞秒激光制作的角膜瓣，切削的角膜瓣厚度均匀一致，瓣 的厚薄和直径都可以设定，可控性非常好，损伤的神经和血管
较少，大大减少了术后干眼症的发生率。
二、全激光手术，完全避免了交叉感染的可能。 三、飞秒激光误差小，医生可以根据患者的角膜情况进行设置 角膜瓣的厚度，厚薄完全在医生的精确掌控中，因此，术前即 保证手术安全更为有利。 四、飞秒激光制作角膜瓣，能够完全避免金属角膜刀制瓣时可 能出现的破碎瓣、游离瓣、纽扣瓣、医源性交叉感染、医源性 像差等并发症，并能将术后发生干眼症的概率降低。
拉伸、微统计分析系统等。
生物医疗领域
飞秒激光具有“冷”加工、能量消耗低、损伤小、准确度高、 三维空间上严格定位的优点，最大限度地满足了生物医疗的 特殊要求：①手术风险低，可对同一患处进行多次手术，治 疗愈合周期短；②相比传统手术刀，医源性感染少；③全激 光手术，无刀胜有刀，精确度高；④无痛，无并发症。 ①在牙齿、隐形眼镜上钻孔，边缘干净、无损伤；②非 热性手术切割烧蚀脑组织；③纳米切割人体染色体；④ 制作血管支架，力学性能好，可望解决血管再狭窄问题， 即治疗冠心病；⑤飞秒激光飞行质谱DNA排序；
时间
激光加工；
激光医学手术；
强场激光与物质相互作用； 激光核聚变； ……
1kHz、40fs、0.71012W的激光系统
1.01015W
聚焦功率密度:1020~1022W／cm2
二、超短脉冲激光及其放大技术
超短脉冲激光产生必须有足够的光谱作为支撑。 1）要让被放大的激光包含足够的光谱宽度；
2）要让这些光谱分量的激光同相位。
报告大纲
1）超短脉冲激光及其特点； 2）超短脉冲激光产生及其放大技术简介；
3）超短脉冲激光应用；
4）今后的发展趋势。
一、超短脉冲激光及其特点
什么叫超短脉冲激光？
一般指时间宽度小于10-12秒的激光脉冲。
10-12秒~皮秒；10-15秒~飞秒；10-18秒~阿秒
一般超短激光脉冲：~5飞秒~几百飞秒。
达到 1020~1022W ／ cm2 。飞秒激光可以将其能量全部、快速、 准确地集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、
塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工，具有其它激光
加工无法比拟的优势：
①耗能低，无热熔区，“冷”加工；
②可加工的材料：从金属到非金属再到生物细胞组织；
③不会出现加工面的熔融、裂缝现象。高精度、高质量、高 分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限；
件。飞秒激光双光子效应，加工精度高，是制备光子晶体 的理想选择。
光子晶体
微型光学回路
光子晶体
光存储:使用高分辨率存储无疑会增加记录密度，而采用超短
激光进行亚微米级操作会得到更好的效果。其特点：
快速的数据读、写、擦写、重写； 并行数据随机存取；
相邻数据位层间串扰小；
存储介质成本低; 三维立体光存储技术。
利用飞秒激光超衍射极限加工有效地修补了金属镉掩模板的 缺陷，修复的线宽达到小于100 nm的精度。 对微电子技术（集成电路）的发展将具有重要意义。
金属纳米颗粒加工
金属纳米颗粒加工：与其它激光脉冲相比，飞秒激光改变的 金属颗粒尺寸大小和特定形状。
复杂的微结构加工
长10m高7m立体公牛图
微小蜘蛛和恐龙模型
微通道的制备聚合物力学性能好，具有生物相容性，而 且飞秒激光光束几乎可以毫无衰减地到达透明材料内部的
聚焦点，入射激光唯有在该点位置才能获得较高的功率密
度，发生非线性多光子吸收和电离，实现材料内任意部位 三维微结构的直写。道壁光滑且没有裂纹，没有损坏透明
材料表面，这种微通道将广泛用于生物医学技术如 DNA
时间
超短脉冲激光有什么特点呢？
时间宽度非常短。
可以用于处理持续时间非常的物理化学过程：
瞬态成像； 超快光开光； 高速光通信……
光谱含量非常丰富。
可以用于激光光谱检测： 脉冲整形； 通信中的光谱编码； ……
光脉冲的峰值功率非常高。
脉冲功率=脉冲能量/脉冲时间宽度
P E /
对光栅提出了更高的要求：①不同几何形状排列，如六角阵列光栅；②在 光纤内部刻划，如Bragg(布拉格)光纤光栅。 传统加工方法工序繁杂、制作的光栅稳定性差、寿命短。飞秒激光微加工 克服了这些缺点，永久性改变折射率，改变量高达0.05，实现直接刻划，
顺应了现代光栅微型化和多样化的发展趋势。
光纤光栅
光子晶体器件：新型的微纳光子集成器件，新一代光子器
光通信领域
利用计算机精密控飞秒激光加工平台，可以在材料内部的 任意位置制得任意形状的二维、三维或单模光波导。
与离子注入法和热扩散型离子交换法等目前常用的制作方法相比，
飞秒激光制作波导在室温环境下进行，过程简单，波导结构 在高温时仍能保持良好的质量和稳定性。 光波导
光栅在光通讯、色散补偿、光纤传感等领域中发挥着不可替 代的作用。
1）锁模； 2）色散补偿。
锁模脉冲序列 时间
棱镜 532 nm 泵浦光 透镜 泵镜 Ti:S 凹面反 射镜 高反镜
输出镜
棱镜
飞秒激光振荡器结构图
啁啾脉冲放大技术
三、超短脉冲激光应用
飞秒激光加工
超短、超强是飞秒激光的特点。飞秒激光脉宽可短至 4 飞秒
以内，峰值功率高达拍瓦量级 (1.0PW=1015W) 聚焦功率密度