布瑪麗亞?阿布力米提

摘 要：飛秒激光其超短脈沖，超強峰值功率和高聚焦能力，因在很多相關領域得了廣泛的應用，本文主要介紹飛秒激光及其在基礎研究領域和醫(yī)學領域的應用的同時，對隨著飛秒激光新發(fā)展起來的某些相關學科做一簡述。

關鍵詞：飛秒；激光；應用

超短脈沖時代是從1960年代末1970年代初提出激光鎖模技術時開始的，短短的20年后，出現(xiàn)了主動鎖模，被動鎖模，脈沖碰撞鎖模（CPM），相加脈沖鎖模等，鎖模技術可以將脈沖縮短到皮秒是10-12秒甚至飛秒10-15秒。在1980年代中期出現(xiàn)的自鎖模技術和非線性啁啾脈沖放大技術，使我們真正進入了超短脈沖的時代。利用這種技術可以產(chǎn)生一個高密度，高強度和高溫高壓領域是實驗室天體物理在極端條件下，光與物質相互作用的極端物理條件，并提供了一個強大的高亮度X射線產(chǎn)生的重大科學研究手段。

此外，在第二十世紀90年代末，還發(fā)現(xiàn)飛秒激光的介質效應產(chǎn)生的長脈沖激光的獨特性質有所不同，如區(qū)域、熱效應小，空間選擇性的作用，這些獨特的性能，在許多領域有重要的應用價值，如微型光子器件的制造，醫(yī)藥，精細操作，三維度的光存儲，納米生物技術，納米醫(yī)學，這些應用已經(jīng)引起了國內外的廣泛關注[1]。

飛秒激光其超短脈沖，超強峰值功率和高聚焦能力，因能夠實現(xiàn)超精細和維微加工的特點獲得了廣泛關注和深入研究，所以飛秒激光技術發(fā)展迅速[2]。

一、飛秒激光簡介

激光曾被人類視為神秘之光并已被廣泛使用。飛秒激光是近年來科學家們通過探究發(fā)現(xiàn)的更特殊的激光，簡稱FS是一種近紅外光以脈沖形式運行，很短的時間，是衡量時間的標準尺度的長度。1飛秒只有1秒的一千萬億分之一，即10-15秒。

飛秒激光有以下三個特點：1、利用飛秒激光獲得的脈沖要比利用電子學方法獲得的最短脈沖還短幾千倍。2、具有比目前全世界發(fā)電總功率還要多出百倍的瞬時功率，可達百萬億瓦。3、空間區(qū)域可以集中到比頭發(fā)的直徑還要小，使周圍的核力量的電場強度比其他電子還高幾倍。

二、飛秒激光的發(fā)展歷史

飛秒激光的發(fā)展可分為四個階段，目前已經(jīng)歷了前三個階段正在進入第四個階段。

60年代中后期的10-9～10-10s第一階段是飛秒激光的早期階段，其主要特點是建立鎖模的理論和實驗研究的各種各樣的夾緊方法。

第二階段是基于各種各樣的鎖模逐漸趨向于成熟的理論和方法為主要特征的70年代的10-11～10-12s，這個階段皮秒（10-12）初步應用于化學和物理的領域。

第三階段是飛秒激光的發(fā)展，主要是以碰撞鎖模染料激光器的飛秒激光脈沖寬度為代表，真的進入了飛秒（10-15秒）階段。飛秒激光脈沖的色散，嘀啾，自相位調制效應再不能被忽略了，平衡這些效應的結果產(chǎn)生了使物理學界震驚的事件——理論上早已預言的孤子（soilton）首先在光學領域實現(xiàn)了——光孤子 （Optical Soliton）。飛秒光脈沖的出現(xiàn)還伴隨生長出許多新的光學技術。

第四個階段是從90年代初開始的。而它主要特征是表現(xiàn)在產(chǎn)生飛秒激光介質的新的突破。自從70年代初期開始，一直是有機染料為介質的激光器領導飛秒激光新潮流。到了90年代，以摻欽藍寶石為代表的固體介質激光器突然闖入了飛秒激光領域，并大有一舉取代飛秒染料激光器之勢。簡單，實用和性能更優(yōu)越是固體飛秒激光技術的鮮明特點。

在短短的20幾年內飛秒激光經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，脈沖寬度壓縮了5～6個量級，并在光通訊，化學，物理，生物學等眾多領域中得到了廣泛應用。其縱向發(fā)展速度之快橫向擴展范圍之廣在自然科學史上是罕見的。

20多年的飛秒激光的發(fā)展，特別是近10年的發(fā)展，促進基礎學科的發(fā)展，如物理、化學、生物學研究的超快過程，也興起了許多新學科的崛起，如超快非線性光學、光孤子通信和飛秒激光物理、飛秒激光飛秒化學、光電等[3]。

三、飛秒脈沖激光器的發(fā)展

1981年美國貝爾實驗室的合作者及其Fork利用被動鎖模原理在染料激光器中首次獲得了激光脈沖。使輸出激光脈沖寬度第一次進入了飛秒量級，并且成功的研制出了碰撞鎖模（colliding pulse mode-locking，簡稱CMP）染料激光器[4]。從此激光技術發(fā)展開始步入了飛秒激光階段。到1985年，他們在染料激光器中獲得了27fs的超短脈沖[5]。

在第二十世紀80年代末出現(xiàn)了大量的熱傳導性能好，固體熒光帶寬增益值，最具代表性的是摻鈦藍寶石（Ti：Sap-phire，Ti：S）。它有一個寬的熒光光譜（660-1100nm），優(yōu)良的熱傳導性，上能級和壽命長，光學均勻性好，廣泛吸收光譜（600nm）和高硬度等諸多優(yōu)點[6]。此后染料激光器逐漸由固體飛秒激光器來取代并成為了飛秒激光技術發(fā)展的重要方向。

隨著飛秒激光技術的發(fā)展，飛秒激光已廣泛應用于許多領域，如醫(yī)療診斷，早在體內檢測和疾病，具有獨特的、不可替代的作用，也可以使用飛秒激光產(chǎn)生高功率放電通道，從而實現(xiàn)人工排水射線大氣擊穿特性火箭，避免損傷，以及由于自然災害如飛機雷擊。

四、飛秒激光在基礎理論研究中的應用

（一）超強度的應用

飛秒脈沖能夠在核物理及高能物理方面得到關注是因為它在超強電場的應用，不僅能夠能對原子和分子直接“加工”而且還非常容易地產(chǎn)生相對電子。研究發(fā)現(xiàn)，當激光強度達到太瓦級，很容易產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象和低強度的飛秒激光脈沖照射下的光電陰極，將產(chǎn)生飛秒電子脈沖，將成為一個高亮度電子源。也可以改變由干擾引起的輕瓦斯大氣氣溶膠的觀測特征，可以自動改變折射率和光。

（二）超快的應用

飛秒激光的超高速（超快）性能的使用可以形成質異常單量子態(tài)，以及分子的可用光和直接控制的運動。目前的研究工作已達到高潮。在光場中飛秒脈沖的幾十個，只有幾個周期的脈沖電場，所以控制階段可以控制原子分子反應[7]。

五、飛秒激光在醫(yī)學中的應用

（一）飛秒激光醫(yī)療近視原理

飛秒激光醫(yī)療近視原理主要有以下兩個：1、光爆破原理：首先產(chǎn)生光爆破的前提是激光脈沖聚焦到角膜組織中。每一個光爆破都會產(chǎn)生一個微離子并會蒸發(fā)大約1微米的眼角膜組織；同時該組織會產(chǎn)生擴展的水泡和CO2氣泡并被眼角膜組織吸收使之因此而被分離，形成飛秒激光的切削面。

2、光傳輸原理：把患者的手術資料和基本信息輸入到計算機操作，“激光”的操作是為了保持準確的距離與激光在角膜組織激光焦點的距離，角膜壓扁錐透鏡。飛秒激光機根據(jù)激光脈沖傳輸醫(yī)生設定模式，角膜是靶向切割。

“飛秒激光”手術比傳統(tǒng)的板層刀手術有以下幾方面優(yōu)勢：（1）“飛秒激光”手術過程中可對同一患處進行多次手術，大幅降低手術風險，安全性大大提高。（2）可避免了因使用板層刀而導致的金屬碎屑殘留。（3）避免醫(yī)源性角膜板層刀輔助可能發(fā)生的畸變，更完美視覺質量。有效避免了板層刀制瓣可能出現(xiàn)的醫(yī)源性像差，使視覺質量更完美。（4）使手術過程中發(fā)生交叉感染的情況就成為了歷史，使人類第一次在角膜手術上離開了板層刀。（5）跟板層刀相比精確度提高百倍。（6）不受角膜曲率的影響，矯治范圍更廣泛。

（二）激光治療

大家都知道，身體的物質的溫度上升是非常敏感的，如果身體的溫度上升到42度，然后將凝固和蛋白質生物功能的喪失。而飛秒激光的熱效應是最小的，不易損傷其他組織，這是用它做的手術刀的主要原因。因此對心肌梗塞及脊髓手術飛秒激光是理想的選擇。此外，激光可以控制細胞。飛秒激光在一個很小的點跡融合，激光沖擊波實驗的細胞分裂的產(chǎn)生已成功[7]。

六、飛秒激光現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

眾所周知，飛秒激光技術逐漸成為許多新興學科的生長點，下面僅把近幾年來新發(fā)展起來的某些相關學科做一簡述。

（一）飛秒等離子體物理

近年來，激光等離子體物理在物理學和激光領域的一個研究熱點，等離子體物理和高功率飛秒激光誘導的研究幾乎是兩年。當高功率飛秒激光聚焦到一個固體材料界面，材料是離子在飛秒時間的范圍，與電加熱到很高的溫度。在這樣短的時間內，等離子體的流動力學膨脹是來不及的，所以一層高溫高密度的等離子體便在材料的表面形成，并且其界限是非常陡的：在遠遠小于一個光波波長的距離內，電子密度從真空陡增到固體密度，這種極端陡的等離子體界面是飛秒等離子體的顯著特點，它和長脈沖激光產(chǎn)生的等離子體具有完全不同的性質。此功能允許我們對等離子體，等離子體的非線性特性，深入分析研究的動態(tài)過程。這項工作是相當新的，甚至與一個完整的數(shù)學模型可以描述飛秒激光等離子體[8]。

（二）飛秒光電子學

電脈沖飛秒激光超短光脈沖技術產(chǎn)生飛秒光電導。它比用常規(guī)電子學技術產(chǎn)生的電脈沖要短幾個數(shù)量級。這種利用超短光脈沖來產(chǎn)生超短電脈沖的技術很快在超快邏輯電路、超快光電計算、超高速超高頻電子器件等領域中獲得應用，并于80年代后期形成了一門新的學科一超快光電子學（Ultrafast Optoclectronics）。它是超快光子學和超快電子學相結合的產(chǎn)物。在超快光電子學領域中，利用飛秒激光脈沖產(chǎn)生具有1012Hz重復率的電磁輻射的研究方向特別引人矚目。它是利用高功率飛秒激光照射在光電導組成的無線列陣上，產(chǎn)生周期小于1012s ，寬度為飛秒量級的強電磁輻射，由此構成微波和毫米波雷達。用于地下調查這種雷達的探測深度和分辨率目前其他技術是無法比擬的，稱為電磁導彈，它是使用在上面非常重要的潛在軍事用途可以用寬帶脈沖雷達[3]。

七、結論

飛秒激光給人類提供了不同于其他技術的研究工具，因此超強超短的飛秒激光將是人類追求的目標，尤其是澤瓦太瓦激光，給我們展示了一些最驚人，而又非常高能量的天體物理現(xiàn)象。雖然我們才剛剛接觸了的表面科學的主題，但對澤瓦甚至可能更極端的科學進行探索的同時對更高功率的激光的發(fā)展感到驚喜。激光還可以把很多學科前沿的現(xiàn)代物理，核物理，相對論等離子體和原子物理，超高壓物理學，量子物理學，天體物理學，宇宙學，非線性理論和粒子物理等都匯聚在一起。雖然開展工作很艱巨，需要付出非凡的努力，但由于其他科學形成如此重大的影響，所以我們應該更注重強場的科學研究，決不能松懈。

參考文獻：

[1]陳國夫.飛秒激光產(chǎn)生與放大技術[J].紅外與激光工程，2008，37（2）：195-199.

[2]李永強，黃存友.飛秒激光在微加工領域的研究及其應用[J].激光雜志，2013，34（4）：3.

[3]王清月.飛秒激光技術其新興相關學科[J].量子電子學，1994，11（4）：212-214.

[4]Fork，R.L；Greene，B.I；Shank，C.V.Appl.Phys.Lett[J].1981，38，671.

[5]Valdmanis.J.A；Fork，R.L；Gordon，J.P，Opt lett 1985，10，131.

[6]Moulton.P.F.J，Opt Soc. AM..B.1986，3，125.

[7]宋云奪.飛秒激光的應用[J].激光技術與應用，2004，12：12-17.

[8]張志剛，徐敏.飛秒激光脈沖技術的發(fā)展和應用[J].激光雜志，1999，20（5）：10.