飞秒激光及其应用进展

摘 要：飞秒激光其超短脉冲，超强峰值功率和高聚焦能力，因在很多相关领域得了广泛的应用，本文主要介绍飞秒激光及其在基础研究领域和医学领域的应用的同时，对随着飞秒激光新发展起来的某些相关学科做一简述。

关键词：飞秒；激光；应用 超短脉冲时代是从1960年代末1970年代初提出激光锁模技术时开始的，短短的20年后，出现了主动锁模，被动锁模，脉冲碰撞锁模（cpm），相加脉冲锁模等，锁模技术可以将脉冲缩短到皮秒是10-12秒甚至飞秒10-15秒。在1980年代中期出现的自锁模技术和非线性啁啾脉冲放大技术，使我们真正进入了超短脉冲的时代。利用这种技术可以产生一个高密度，高强度和高温高压领域是实验室天体物理在极端条件下，光与物质相互作用的极端物理条件，并提供了一个强大的高亮度x射线产生的重大科学研究手段。 此外，在第二十世纪90年代末，还发现飞秒激光的介质效应产生的长脉冲激光的独特性质有所不同，如区域、热效应小，空间选择性的作用，这些独特的性能，在许多领域有重要的应用价值，如微型光子器件的制造，医药，精细操作，三维度的光存储，纳米生物技术，纳米医学，这些应用已经引起了国内外的广泛关注[1]。 飞秒激光其超短脉冲，超强峰值功率和高聚焦能力，因能够实现超精细和维微加工的特点获得了广泛关注和深入研究，所以飞秒激光技术发展迅速[2]。 一、飞秒激光简介 激光曾被人类视为神秘之光并已被广泛使用。飞秒激光是近年来科学家们通过探究发现的更特殊的激光，简称fs是一种近红外光以脉冲形式运行，很短的时间，是衡量时间的标准尺度的长度。1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即10-15秒。 飞秒激光有以下三个特点：1、利用飞秒激光获得的脉冲要比利用电子学方法获得的最短脉冲还短几千倍。2、具有比目前全世界发电总功率还要多出百倍的瞬时功率，可达百万亿瓦。3、空间区域可以集中到比头发的直径还要小，使周围的核力量的电场强度比其他电子还高几倍。 二、飞秒激光的发展历史 飞秒激光的发展可分为四个阶段，目前已经历了前三个阶段正在进入第四个阶段。 60年代中后期的10-9～10-10s第一阶段是飞秒激光的早期阶段，其主要特点是建立锁模的理论和实验研究的各种各样的夹紧方法。 第二阶段是基于各种各样的锁模逐渐趋向于成熟的理论和方法为主要特征的70年代的10-11～10-12s，这个阶段皮秒（10-12）初步应用于化学和物理的领域。 第三阶段是飞秒激光的发展，主要是以碰撞锁模染料激光器的飞秒激光脉冲宽度为代表，真的进入了飞秒（10-15秒）阶段。飞秒激光脉冲的色散，嘀啾，自相位调制效应再不能被忽略了，平衡这些效应的结果产生了使物理学界震惊的事件――理论上早已预言的孤子（soilton）首先在光学领域实现了――光孤子 （optical soliton）。飞秒光脉冲的出现还伴随生长出许多新的光学技术。 第四个阶段是从90年代初开始的。而它主要特征是表现在产生飞秒激光介质的新的突破。自从70年代初期开始，一直是有机染料为介质的激光器领导飞秒激光新潮流。到了90年代，以掺钦蓝宝石为代表的固体介质激光器突然闯入了飞秒激光领域，并大有一举取代飞秒染料激光器之势。简单，实用和性能更优越是固体飞秒激光技术的鲜明特点。 在短短的20几年内飞秒激光经历了四个发展阶段，脉冲宽度压缩了5～6个量级，并在光通讯，化学，物理，生物学等众多领域中得到了广泛应用。其纵向发展速度之快横向扩展范围之广在自然科学史上是罕见的。 20多年的飞秒激光的发展，特别是近10年的发展，促进基础学科的发展，如物理、化学、生物学研究的超快过程，也兴起了许多新学科的崛起，如超快非线性光学、光孤子通信和飞秒激光物理、飞秒激光飞秒化学、光电等[3]。 三、飞秒脉冲激光器的发展 1981年美国贝尔实验室的合作者及其fork利用被动锁模原理在染料激光器中首次获得了激光脉冲。使输出激光脉冲宽度第一次进入了飞秒量级，并且成功的研制出了碰撞锁模（colliding pulse mode-locking，简称cmp）染料激光器[4]。从此激光技术发展开始步入了飞秒激光阶段。到1985年，他们在染料激光器中获得了27fs的超短脉冲[5]。 在第二十世纪80年代末出现了大量的热传导性能好，固体荧光带宽增益值，最具代表性的是掺钛蓝宝石（ti：sap-phire，ti：s）。它有一个宽的荧光光谱（660-1100nm），优良的热传导性，上能级和寿命长，光学均匀性好，广泛吸收光谱（600nm）和高硬度等诸多优点[6]。此后染料激光器逐渐由固体飞秒激光器来取代并成为了飞秒激光技术发展的重要方向。 随着飞秒激光技术的发展，飞秒激光已广泛应用于许多领域，如医疗诊断，早在体内检测和疾病，具有独特的、不可替代的作用，也可以使用飞秒激光产生高功率放电通道，从而实现人工排水射线大气击穿特性火箭，避免损伤，以及由于自然灾害如飞机雷击。 四、飞秒激光在基础理论研究中的应用 （一）超强度的应用 飞秒脉冲能够在核物理及高能物理方面得到关注是因为它在超强电场的应用，不仅能够能对原子和分子直接“加工”而且还非常容易地产生相对电子。研究发现，当激光强度达到太瓦级，很容易产生的非线性现象和低强度的飞秒激光脉冲照射下的光电阴极，将产生飞秒电子脉冲，将成为一个高亮度电子源。也可以改变由干扰引起的轻瓦斯大气气溶胶的观测特征，可以自动改变折射率和光。 （二）超快的应用 飞秒激光的超高速（超快）性能的使用可以形成质异常单量子态，以及分子的可用光和直接控制的运动。目前的研究工作已达到高潮。在光场中飞秒脉冲的几十个，只有几个周期的脉冲电场，所以控制阶段可以控制原子分子反应[7]。 五、飞秒激光在医学中的应用 （一）飞秒激光医疗近视原理 飞秒激光医疗近视原理主要有以下两个：1、光爆破原理：首先产生光爆破的前提是激光脉冲聚焦到角膜组织中。每一个光爆破都会产生一个微离子并会蒸发大约1微米的眼角膜组织；同时该组织会产生扩展的水泡和co2气泡并被眼角膜组织吸收使之因此而被分离，形成飞秒激光的切削面。 2、光传输原理：把患者的手术资料和基本信息输入到计算机操作，“激光”的操作是为了保持准确的距离与激光在角膜组织激光焦点的距离，角膜压扁锥透镜。飞秒激光机根据激光脉冲传输医生设定模式，角膜是靶向切割。 “飞秒激光”手术比传统的板层刀手术有以下几方面优势：（1）“飞秒激光”手术过程中可对同一患处进行多次手术，大幅降低手术风险，安全性大大提高。（2）可避免了因使用板层刀而导致的金属碎屑残留。（3）避免医源性角膜板层刀辅助可能发生的畸变，更完美视觉质量。有效避免了板层刀制瓣可能出现的医源性像差，使视觉质量更完美。（4）使手术过程中发生交叉感染的情况就成为了历史，使人类第一次在角膜手术上离开了板层刀。（5）跟板层刀相比精确度提高百倍。（6）不受角膜曲率的影响，矫治范围更广泛。 （二）激光治疗 大家都知道，身体的物质的温度上升是非常敏感的，如果身体的温度上升到42度，然后将凝固和蛋白质生物功能的丧失。而飞秒激光的热效应是最小的，不易损伤其他组织，这是用它做的手术刀的主要原因。因此对心肌梗塞及脊髓手术飞秒激光是理想的选择。此外，激光可以控制细胞。飞秒激光在一个很小的点迹融合，激光冲击波实验的细胞分裂的产生已成功[7]。 六、飞秒激光现状与发展趋势 众所周知，飞秒激光技术逐渐成为许多新兴学科的生长点，下面仅把近几年来新发展起来的某些相关学科做一简述。 （一）飞秒等离子体物理 近年来，激光等离子体物理在物理学和激光领域的一个研究热点，等离子体物理和高功率飞秒激光诱导的研究几乎是两年。当高功率飞秒激光聚焦到一个固体材料界面，材料是离子在飞秒时间的范围，与电加热到很高的温度。在这样短的时间内，等离子体的流动力学膨胀是来不及的，所以一层高温高密度的等离子体便在材料的表面形成，并且其界限是非常陡的：在远远小于一个光波波长的距离内，电子密度从真空陡增到固体密度，这种极端陡的等离子体界面是飞秒等离子体的显著特点，它和长脉冲激光产生的等离子体具有完全不同的性质。此功能允许我们对等离子体，等离子体的非线性特性，深入分析研究的动态过程。这项工作是相当新的，甚至与一个完整的数学模型可以描述飞秒激光等离子体[8]。 （二）飞秒光电子学 电脉冲飞秒激光超短光脉冲技术产生飞秒光电导。它比用常规电子学技术产生的电脉冲要短几个数量级。这种利用超短光脉冲来产生超短电脉冲的技术很快在超快逻辑电路、超快光电计算、超高速超高频电子器件等领域中获得应用，并于80年代后期形成了一门新的学科一超快光电子学（ultrafast optoclectronics）。它是超快光子学和超快电子学相结合的产物。在超快光电子学领域中，利用飞秒激光脉冲产生具有1012hz重复率的电磁辐射的研究方向特别引人瞩目。它是利用高功率飞秒激光照射在光电导组成的无线列阵上，产生周期小于1012s ，宽度为飞秒量级的强电磁辐射，由此构成微波和毫米波雷达。用于地下调查这种雷达的探测深度和分辨率目前其他技术是无法比拟的，称为电磁导弹，它是使用在上面非常重要的潜在军事用途可以用宽带脉冲雷达[3]。 七、结论 飞秒激光给人类提供了不同于其他技术的研究工具，因此超强超短的飞秒激光将是人类追求的目标，尤其是泽瓦太瓦激光，给我们展示了一些最惊人，而又非常高能量的天体物理现象。虽然我们才刚刚接触了的表面科学的主题，但对泽瓦甚至可能更极端的科学进行探索的同时对更高功率的激光的发展感到惊喜。激光还可以把很多学科前沿的现代物理，核物理，相对论等离子体和原子物理，超高压物理学，量子物理学，天体物理学，宇宙学，非线性理论和粒子物理等都汇聚在一起。虽然开展工作很艰巨，需要付出非凡的努力，但由于其他科学形成如此重大的影响，所以我们应该更注重强场的科学研究，决不能松懈。