飛秒激光技術，正在引發微細加工和生命科學領域的高度關注
現在，各種激光器已經被廣泛應用於工業加工和醫療領域，而飛秒超快激光作為高端微納加工和生命科學領域的理想光源，正逐漸引發市場的高度關注。
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激光與物質之間的相互作用過程大致為：
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在100 fs的時間內電子吸收光子的能量而躍遷到高能級；
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為了達到平衡，電子會在1 ps的時間內將能量傳遞給晶格；
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在10 ps的時間內，這些能量將被逐步傳遞到材料內部。
對於飛秒激光而言，脈衝作用時間已經實際小於1 ps，電子沒有足夠的時間將能量傳遞給晶格。從而在材料表面生成眾多等離子體，能量伴隨著材料的去除而消散，因此出現強烈的燒蝕效果。
用飛秒激光進行加工，激光脈衝能量極快地注入很小的作用區域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運動方式發生變化，從根本上改變了激光與物質相互作用機制。
飛秒激光加工時存在著準確的多光子吸收閥值。從光和物質相互作用的角度而言，飛秒激光是在極短的時間、極小的空間尺度、極端的物理條件下對物質進行加工，其過程與傳統的激光加工線性吸收不同，主要涉及多光子吸收。
只有超過多光子吸收閥值的照射區域，才會出現明確的加工行為。飛秒激光加工可以實現小於焦點光斑尺寸的精度加工，原因在於多光子吸收的光強依賴性。
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飛秒激光脈衝在微細加工中具有許多獨特的加工優勢，主要表現在：
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飛秒激光加工的組織中沒有熔融區，沒有重鑄層，不產生微裂紋。這是飛秒加工的最重要特徵。它避免了熱熔化的存在，實現了相對意義上的「冷」加工，大大減弱和消除了傳統加工中熱效應帶來的諸多負面影響。
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飛秒激光加工精度高，不受光的衍射極限的限制，具有很高的空間分辨性。
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飛秒激光加工對材料沒有選擇和限制性，可以對任何材料進行精細加工、修復和處理。
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飛秒激光加工需要的脈衝能量閥值極低，一般只有毫焦耳量級，這決定了加工的能量低耗性。
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飛秒激光加工精度高，不受光的衍射極限的限制，具有很高的空間分辨性。
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飛秒激光在微納加工的應用包括：
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飛秒激光能對石英、玻璃、晶體、光纖等各種透明材料內部進行三維加工和改性。激光光強大於多光子吸收閥值時，會激發透明材料對光子能量的吸收。迅速升溫然後驟然降溫，可導致光學透明材料折射率的變化。
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通過飛秒激光雙光子聚合微細加工技術來實現聚合物的製備。通過雙光子聚合反應，並同時產生固化，生成大分子的聚合物，這樣就得到了需要的三維結構製件。
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在生物醫學領域，作為超精密外科手術刀，飛秒激光可用於視力矯正手術；也可用於無痛牙科治療，可以避免了因溫度變化引起的神經痛感。
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在材料製備方面，飛秒激光應用於脈衝激光沉積領域，可以進行新材料薄膜製備。
在100 μm厚的不鏽鋼薄片上鑽孔，飛秒激光的加工效果明顯好於納秒激光（圖1），非常乾淨。
圖1 納秒脈衝和飛秒脈衝在100 μm厚的不鏽鋼薄片上的鑽孔效果對比，3.3 ns對200 fs，1萬個脈衝，燒蝕閾值附近
圖2給出了利用飛秒和皮秒脈衝在0.5 mm厚的銅片上鑽孔所需的脈衝數。結果表明：飛秒（亞皮秒）脈衝的材料去除過程更高效。
圖2 飛秒和皮秒脈衝在0.5 mm厚的銅片上鑽孔所需的脈衝數。脈衝能量：30 μJ
在激光脈衝重複率接近兆赫茲，並具有較高的平均功率的情況下，用於加工金屬時，飛秒脈衝似乎比皮秒脈衝更有利。在用19 ps的激光脈衝鑽的孔，觀察到一個薄的熔融層。而用800 fs脈衝的時候，得到一個乾淨的燒蝕區（圖3）。
圖3 19 ps(a)和800 fs(b)脈衝在銅片上鑽孔。
重複頻率 975 kHz；脈衝能量：50 μJ
透明材料的焊接是一個在各個行業不可或缺的製造工藝，包括精密機械、醫療、光電產業等。
與用於微焊接的傳統激光器不同，飛秒激光以高峰值強度的固有特徵，利用獨特的非線性吸收機制，在沒有插入中間層的情況下，可以直接焊接透明材料，如熔融石英（軟化點，1720 ℃）與 SiC晶圓（熔點，3100 ℃）的焊接。光學接觸的熔石英和碳化硅在下面的條件下被直接焊接在一起:
1)激光脈衝：50 kHz，240 fs，800 nm;
2）焊接速度和脈衝能量分別為0.5 mm/s和1 μJ。
硬而脆的材料，如藍寶石對下一代觸摸屏或被作為LED生長的基底是很重要的。實驗表明：不像皮秒脈衝，飛秒脈衝（<700 fs）可以在藍寶石當中用來控制單一的裂縫方向（如圖4所示）。
圖4 裂紋形貌與激光脈衝寬度的依賴關係
與固體飛秒激光器相比，光纖飛秒激光器有很多優點：結構緊湊、高集成、高穩定、免維護、免調試；高增益、低閾值、高轉換效率；散熱性能良好；高光束質量。光纖激光器是實用化激光光源的重要方向。
摻鐿(Yb)增益光纖非常適合於中心波長在1 μm的光纖激光器（圖5）。它的主要優點包括：能用半導體激光抽運（860-1050 nm）；寬增益帶（970-1200 nm）；高飽和能量（35 J/cm2）；高抽運效率；無激發態吸收等。
圖5 摻鐿(Yb)增益光纖的吸收與發射光譜
啁啾脈衝放大技術是飛秒激光脈衝放大的必要手段。它的基本原理是在脈衝放大之前在時域上對其展寬，以避免脈衝畸變和光學損傷。然後將脈衝能量放大, 最後利用光學元件(稜鏡、光柵)對脈寬再壓縮（圖6）。
圖6 飛秒激光器結構示意圖
實用化的光纖飛秒激光器如圖7所示。它由光纖鎖模振蕩器、光纖脈衝展寬器、光纖功率放大器及光柵脈衝壓縮器構成。
圖7 光纖飛秒激光器結構示意圖
在固體飛秒激光器中常用的體光柵脈衝展寬器，由於體積大、穩定性差、難耦合進單模光纖，並不適合用於光纖飛秒激光器。
如果單模保偏光纖能夠用作脈衝展寬器，這些問題就會得到解決。但是通常情況下，單模保偏光纖和體光柵脈衝壓縮器都有正的三階色散，不能相互補償，因此脈衝壓縮效果很差。
直到利用由功率放大器產生的非線性相位移動來補償光纖脈衝展寬器和光柵壓縮器的3階色散，適合於工業/醫療應用的穩定可靠的光纖飛秒激光器才得以實現。
作為光纖飛秒激光器應用的典型例子，美國IMRA公司和德國Carl Zeiss公司合作開發的眼科工具–VisuMax（圖8）所用的全飛秒激光手術技術是目前全球最先進的角膜屈光手術方式。
圖8 德國Carl Zeiss公司的眼科激光手術儀-VisuMax
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為了開發脈衝能量和平均功率更高的光纖飛秒激光器，我們需要：
更長的被展寬脈衝；
更大孔徑的增益光纖；
儘可能短的增益光纖；
高階模損耗大的增益光纖；
更高衍射效率和損傷閾值的光柵。
國家也非常重視飛秒激光技術在中國的發展，在「十三五」國家重點研發計劃—「增材製造與激光製造」專項中，列入了《工業級皮秒/飛秒激光器關鍵技術研究及產業化》項目，由武漢華日激光牽頭，聯合了中科院上海光機所、華中科技大學、銳科公司、華工激光共同完成。
這一研發項目完成後，將從理論上解決全光纖飛秒激光器的系統優化問題，技術上實現大口徑光纖啁啾脈衝放大技術和創新的時空整形及聚焦技術。最終能實現核心器件的全自主研發和批量供應，飛秒激光器必將達到世界先進水平並打破國外壟斷，滿足工業高產出率和高質量的要求，帶動上下游技術革新和產業化發展，服務中國製造2025。
文章來源：http://www.oeshow.cn
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