超短脈沖激光技術(shù)發(fā)展起來的一種強(qiáng)有力的新工具

在過去20年里，飛秒激光是激光技術(shù)發(fā)展起來的一種強(qiáng)有力的新工具。這樣短的飛秒脈沖，已經(jīng)在4fs以內(nèi)。1飛秒(fs)，即10-15s，僅為1,1。若以10fs為幾何平均數(shù)來測量宇宙，則其壽命僅為1分鐘；飛秒脈沖如此強(qiáng)大，利用多階段唧唧脈沖放大(CPA)技術(shù)獲得的最大脈沖峰值功率達(dá)到100太瓦(TW)。這就是1012W，甚至是1015W的拍瓦(PW，也就是1015W)，它的聚焦強(qiáng)度比把太陽輻射到地球上的所有光聚焦到針尖大小之后更高。飛秒激光絕對是人類的奇跡。

在過去的20年里，從染料激光到克爾鏡鎖模的鈦寶石飛秒激光，以及二極管泵浦的全固態(tài)飛秒激光和飛秒光纖激光，使脈沖寬度和能量記錄不斷刷新，但最大的進(jìn)步是獲得超飛秒脈沖變得更加容易。在過去10年中，超高速(超高速)技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。目前，鈦寶石激光器以及光纖激光器都使得這類(飛秒激光器)激光器簡單、穩(wěn)定。如今，人們已經(jīng)能買到這種激光器，但10年前，你必須自己建造例如，所有高功率飛秒脈沖的所有部件都整合在一個盒子里。采用光纖飛秒激光作為種子源，不需調(diào)節(jié)設(shè)計，構(gòu)成了世界上獨(dú)一無二的、超穩(wěn)定、超緊湊的CPA2000系列鈦寶石唧唧脈沖放大系統(tǒng)。本實用系統(tǒng)不需要專業(yè)的飛秒飛行操作，可廣泛用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)。

從飛秒激光超短超強(qiáng)特性出發(fā)，應(yīng)用研究領(lǐng)域通常可以劃分為超快瞬變現(xiàn)象和超速現(xiàn)象研究。并隨激光脈寬縮短、脈沖能量增大而加深和發(fā)展。

用飛秒脈沖激光作為光源，形成多種光譜時間分辨率技術(shù)和抽運(yùn)檢測技術(shù)是最直接的應(yīng)用。其發(fā)展直接推動了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料、信息等學(xué)科進(jìn)入微觀超快過程領(lǐng)域，創(chuàng)造了飛秒化學(xué)、量子控制化學(xué)、半導(dǎo)體相關(guān)光譜學(xué)等新領(lǐng)域。飛秒脈沖激光激光和納米顯微技術(shù)，可以研究半導(dǎo)體的納米結(jié)構(gòu)(量子線、量子點和納米晶體)。生物領(lǐng)域中，人們利用飛秒激光技術(shù)提供的差分吸收光譜和泵/探測技術(shù)，來研究光合反應(yīng)中心的傳遞與電荷分離過程。超短脈沖激光束還用于信息的傳遞、加工和儲存。

1988年，第一臺用脈沖放大技術(shù)完成了第一臺臺式太瓦激光器的研制工作，從1988年開始，標(biāo)志著實驗室內(nèi)對超超強(qiáng)光進(jìn)行了飛秒超強(qiáng)物理研究。目前，超短激光場的作用已與原子中電子的束束場相等或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過，微擾論已無法成立，因此需要進(jìn)一步發(fā)展新的理論處理。利用1020W/cm2的光強(qiáng)，可以研究模擬天體的物理現(xiàn)象。熱電子產(chǎn)生的超強(qiáng)激光(200keW/cm2熱電子(200keV)。

另外一種重要的應(yīng)用領(lǐng)域是飛秒激光。一般情況下，激光脈沖的持續(xù)時間超過10皮秒(相當(dāng)于熱傳導(dǎo)時間)是一種長脈沖，它是加工材料所用。熱工效應(yīng)會改變周圍材料，從而影響加工精度。脈寬僅千萬億分之一秒，飛秒激光脈沖具有特殊的熔化范圍小或無加工孔徑等特殊的材料加工性能；金屬，可以對各種材料進(jìn)行微機(jī)加工、雕刻，如半導(dǎo)體、透明材料甚至生物組織；加工面積可以小于對焦，繞射極限等等。現(xiàn)在，一些汽車制造商和重型設(shè)備制造廠都在研究用飛秒激光來制造更好的發(fā)動機(jī)噴嘴。用超短脈沖激光可以在金屬表面形成幾百納米寬的微孔。IBM的Hitt在最近在奧蘭多召開的美國光學(xué)學(xué)會會議上說，IBM已經(jīng)將一個飛秒激光系統(tǒng)應(yīng)用于大型集成電路芯片的光刻過程，幾乎無熱傳輸?shù)娘w秒激光切割。

可以肯定地說，隨著超短脈沖激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及進(jìn)一步提高高可靠性的飛秒激光技術(shù)，必將在更多領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。