飞秒激光

概述

       激光曾被视为神秘之光，并已被人类广泛使用。近年来，科学家研究发现了一种更为奇特的光－－飞秒激光，飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。它在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大。科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。激光的历史还不到40年，是目前人类观察发现微观世界，揭示超快运动过程的重要手段。而且众多科学技术的研究因此获得了突破性发展。　 

       飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，一飞秒就是10的负15次方秒，也就是1／1000万亿秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍，是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲。这是飞秒激光的第一个特点。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。　

       飞秒激光的这些特性是如何实现的呢？高功率飞秒激光系统由四部分组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内，利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开。放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起，恢复到飞秒宽度，从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。

用途

        飞秒激光有什么用途呢？众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。

       物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光，产生β射线激光，产生正负电子对。　

       高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。

       目前在国内已有几家医院引入这种设备与技术，爱尔眼科医院集团旗下就有6家子医院可以做飞秒激光治疗近视的手术，值得信赖的。

       飞秒激光是一种特殊类型的激光，其脉冲持续时间非常短，达到了飞秒级别（1飞秒=千万亿分之一秒）。由于其独特的特性，飞秒激光在多个领域有着广泛的应用。以下是飞秒激光的主要用途：

1. 医学领域

       眼科手术：飞秒激光在眼科手术，特别是近视矫正手术中得到了广泛应用。它可以精确切割角膜组织，改变角膜曲率，从而达到矫正视力的目的。全飞秒激光手术和半飞秒激光手术是目前主流的近视矫正手术方式，具有手术切口小、恢复快、安全性高等优点。

2. 微型器件制造与纳米材料加工

       精密加工：飞秒激光因其高瞬时功率和极短的脉冲持续时间，能够精确聚焦到小尺寸的材料上，进行精细的切割或加工。这使得它在微型器件制造和纳米材料加工方面有着巨大的潜力。

3. 科学研究

       物质动态过程研究：科学家们利用飞秒激光脉冲时间短、瞬时功率大等特点，研究物质在飞秒时间尺度上的动态过程。这相当于给照相机安装了一个超快的“拍照快门”，能够捕捉分子、材料的变化过程，为科学研究提供重要数据。

4. 新能源领域

       未来能源开发：飞秒激光在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还要大，科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。尽管目前这一应用仍处于研究阶段，但飞秒激光在新能源领域的应用前景广阔。

5. 其他领域

       三维打印与制造：飞秒激光技术还被应用于三维打印与制造领域，特别是在微纳米尺度上的三维结构构建方面。例如，利用飞秒激光动态全息加工方法可以高效构建三维毛细血管支架等复杂结构。

       综上所述，飞秒激光因其独特的特性在医学、制造、科研和新能源等多个领域发挥着重要作用。随着科技的进步和研究的深入，飞秒激光的应用前景将更加广阔。

特点

       1、飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短脉冲，它的精确度是± 5 微米;
 

       2、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多出上百倍;

       3、物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体;

       4、飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域;

       5、用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会有组织损伤。

加工材料的优势

       与传统连续激光以及长脉宽（纳秒，皮秒激光相比，飞秒激光加工材料具有如下特点：

       峰值功率高，容易引起材料的解离。以光谱公司生产的具有再生放大系统的钛宝石飞秒激光器为例，其脉宽为，重复频率为单脉冲能量为，其激光脉冲峰值可达的量级。采用多级啁啾脉冲放大技术获得的飞秒激光脉冲峰值功率已经达到了量级。较强的飞秒激光与材料相互作用时，材料能够在数百飞秒的时间内发生解离。

       热效应小，加工精度高，在材料精密加工方面有独特的优势。激光与物质相互作用时，热效应的大小与激光的脉宽之间关系极为密切。一般来说，激光作用到材料上，能量首先被激发的电子吸收，再通过电子晶格散射的作用将能量传递给晶格，通常这个过程的时间尺度在几十个皮秒，之后热量在晶格之间传递，使得周围晶格温度升高，引起材料的相变焰化和气化。对于纳秒激光来说，由于其脉冲宽度远大于电子晶格散射的时间，在脉冲作用的过程中，能量有足够的时间由电子传递给晶格，并在晶格之间扩散，使得晶格温度逐渐升高发生溶化和气化。与之所不同的是，飞秒激光器产生的脉冲，其脉宽在甚至更短，此时脉冲的作用时间远小于电子晶格散射的时间，激光脉冲作用完成时能量来不及传递给晶格，此时的晶格是“冷”的。飞秒激光引起的材料解离发生在几个皮秒的时间内，引起的材料解离过程比较复杂，针对不同的材料解离机制主要有库伦爆炸和相爆炸两种。而皮秒脉冲激光与材料相互作用时，产生的热效应影响介于纳秒激光和飞秒激光之间。

       应用范围广。现代研究己经将飞秒激光加工应用于众多固体材料，范围涵盖金属，半导体，电介质以及聚合物等等。而且，飞秒激光器的发展也颇为迅速，波段覆盖射线到近红外，脉宽从数个飞秒到数百飞秒，能够满足各种材料的加工需求。特别是最近几年，飞秒激光器趋于小型化、集成化，输出的激光功率更加稳定可靠，这使得飞秒激光器成功地从实验室走向了工厂。

医疗应用

       ——飞秒激光治疗近视的优点

       优势一：大幅降低手术风险 在传统板层刀手术中，如果刀片旋转过程中发生负压环松脱等意外，角膜瓣的制作将彻底失败，手术只能等三个月以后再做，给患者和医生带来极大的心理压力。而“飞秒激光”手术如出现类似意外的情况，医生只需将负压环再次戴上，立即补充激光即可，不需中断手术。因为飞秒激光在制作角膜瓣时，只产生一些水和气泡推开角膜组织，对组织无损伤，可对同一患处进行多次手术，安全性大大提高。

       优势二：嵌入式角膜瓣，复位更准确 板层刀是水平切削的，而眼球表面是一个球体，所以制作的角膜瓣剖面呈“杯盖”型，与眼球基体的固着性不够好；而飞秒激光制作的角膜瓣与眼球基体呈“地下井盖”型嵌入式咬合，复位轻松咬合紧密，不会错位，更不会出现碎瓣、纽扣瓣等并发症。同时，它的激光光源也避免了因使用板层刀可能导致的金属碎屑残留。

       优势三：避免医源性感染 许多小型激光眼科机构在实施LASIK手术时，为降低手术成本，并未严格实施“一人一刀片”的原则，将一次性手术刀片反复使用，大大增加了交叉感染等医疗隐患，“飞秒激光”使人类第一次在角膜手术上离开了板层刀，手术过程中发生交叉感染的情况就成为了历史。  

       优势四：术后视觉质量更完美 “飞秒激光”可以精确地打开眼部组织分子链，制作出更均匀更完美的角膜瓣，有效避免了板层刀制瓣可能出现的医源性像差等，避免了雾天、下雨天以及夜晚开车等视物条件下出现的眩光、模糊等情况，让近视者获得趋于完美的视觉质量。

        优势五：“全激光”手术，精确度提高百倍 “飞秒激光”能把角膜瓣制作的精确度控制在10－15微米以内，其精确度是板层刀的100多倍，这是板层刀望尘莫及的，对任何患者来说都是更安全的。

       优势六：不受角膜曲率影响，矫治范围更广泛 过去受角膜厚度影响，有近10%的患者因近视太深、角膜太薄，基本无法接受传统的LASIK等激光手术。而飞秒激光手术不受角膜曲率的影响，对角膜偏薄、角膜曲率变异大的近视患者来说是一大福音

       飞秒激光治近视术前仔细查

       “手术10分钟，检查却要3、4小时，是否本末倒置？”很多准备近视激光手术的患者很惊讶术前检查的繁琐，其实不然。一项完美的近视手术，标准、规范、系统的术前检查是非常重要的，不仅可以帮助医生设计最适合个人的手术方案，为良好的术后效果奠定了基础，而且还能够发现您是否真正适合进行激光矫正手术，预计术后疗效，以避免不必要的遗憾。规范的术前检查包括视力、验光、眼前段检查、眼底检查、眼压、角膜形态、瞳孔直径、角膜厚度、眼轴等，其中验光、角膜形态、角膜厚度、瞳孔直径对手术方案的设计起决定性作用。

       1.视力：包括远、近裸眼视力和最佳矫正视力。

       2.验光：一般眼镜店的验光通常采用的就是电脑验光加插片的方法，其实这得出的结果很粗糙的。所以必须进行医学验光，获得最佳的屈光度数，达到视力最佳且注视持久而舒适的境界。

       3.角膜形态检查：准分子激光治疗近视是应用准分子激光切削角膜前表面，改变角膜的屈光力，而达到矫正的效果，因此，角膜形态的测定可筛选术前病人、选择手术方式、确保手术疗效。

       4.角膜厚度的测量：角膜厚度对于手术的选择及切削量大小的设计等均有决定性的作用。

       5.瞳孔直径的测定：瞳孔直径较大者术后易出现眩光和夜间开车困难，给患者的生活带来了不必要的麻烦。做此测定能尽量避免此类并发症的出现。

       6.眼前段健康检查：可排除结膜炎、角膜炎等疾病。

       7.眼底检查：术前必须散瞳查眼底，全面了解眼底情况，排除其他眼底疾病，便于患者理解手术和近视本身的并发性改变，还可发现潜在的危险，指导预防性治疗。

       8.眼压检查：以排除高眼压和青光眼的可能性。9.眼轴测定：协助确定近视类别，监测眼轴有无增长。10.对于30岁以上平时看近不戴眼镜或40岁以上的老花患者，还应测量其眼睛的调节功能，以便术后能舒服地使用双眼进行日常工作与生活。

       9 ORBSCAN Ⅱ：国际上最先进的LASIK术前检查系统之一，它采用的是裂隙灯扫描技术与先进的Placido盘相结合，可以使医生得到屈光手术所需的最全面、最精确的数据，可以诊断每一个病人的具体问题，尤其适用于对LASIK手术禁忌症，如圆锥角膜、早期圆锥角膜、超薄角膜等的筛查。有了OrbscanⅡ的全方位检查数据，可以让LASIK手术术前筛查更加万无一失；术前手术方案制定也更为“个性化”，手术效果更为理想。

应用于医疗的原理

       “飞秒激光”用于眼科近视手术的原理：

       1、飞秒激光有着相当的精确定向性和定位性;

       “飞秒激光”手术的原理有两个，一个是光传输原理，一个是光爆破原理。

       首先，我们来看它的的光传输原理：手术前，医生将患者的基本信息和手术数据输入电脑。手术中医生操作“飞秒激光”机，用压平锥镜将角膜压平，保持激光头到角膜组织中激光聚焦点的精确距离。飞秒激光机按照医生设定的模式传输激光脉冲,在眼角膜上进行各种靶向切削。

       2、飞秒激光刀制作角膜瓣更平整更精确;

       飞秒激光的光爆破原理：激光脉冲聚焦到角膜组织中，产生光爆破;每一个脉冲的光爆破，产生一个微离子;每一个微离子，蒸发大约1微米的眼角膜组织;蒸发眼角膜组织产生扩展的水泡和CO2气泡，水泡和气泡被眼角膜组织吸收，眼角膜组织因此被分离。值得注意的是，早期美国intralase飞秒激光产生的气泡很难被吸收，因此手术人员需要等待大概15—20分钟后才能进行准分子激光切削；最近几年被广泛应用的瑞士达芬奇飞秒激光这种情况就要好的多，气泡的吸收较快，手术中不用等待，危险系数相对更小。

       电脑控制的光学传输系统产生成千上万的飞秒激光脉冲, 这些脉冲按照密集的等宽度等间距的篱笆墙式的光栅模式，在同一深度聚焦产生光爆破，在眼角膜组织中形成一层微小直径的气泡，使眼角膜组织分离，形成飞秒激光的切削面。LASIK(激光近视)手术中制作眼角膜瓣就是运用的这种切削模式形成水平的分离面和垂直面。

       飞秒激光脉冲还可以在角膜组织中进行任何角度和任何范围的堆砌聚焦，形成角度不同，范围不同的组织分离，所以，飞秒激光可以在角膜移植手术和lasik手术中对眼角膜进行片状切削，制作精美的植片和角膜瓣。

发展历史

       飞秒激光技术随着科技的进步，不断的发展，其脉宽越来越短，脉冲的峰值功率越来越大。

       自1960年第一台红宝石激光器问世以来，缩短激光脉冲便成为激光器设计和制作的重要发展方向。为了缩短激光脉冲，在20世纪60年代末到70年代初提出激光锁模技术，飞秒激光的产生便来源于该技术。

       1974 年，E.P.Ippen 等人发明了腔外光栅对压缩技术，通过染料激光器第一次获得了飞秒激光脉冲。

       1981 年，R.L.Fork 等人通过碰撞脉冲锁模技术，通过染料激光器获得了 90fs的激光脉冲。

       但是，染料激光器结构复杂，需要染料循环系统，且其增益带宽狭窄，只能在实验室的条件下研究，不能广泛应用，所以在固体激光器特别是钛宝石晶体激光器出现后，迅速的淘汰了。

       1983年，D. E. Spence 等人发明了自锁模技术，也称克尔透镜锁模，这种技术的特点是不需要附加脉冲锁模。

       1981年美国尔实验室的人首次利用碰撞锁模技术（在环形染料激光器中得到了脉宽仅的超短激光脉冲。1985年该实验室的人在激光腔内引入可补偿腔内群速弥散的四棱镜结构，得到的超短激光脉冲，大大推动了超短脉冲技术的发展。 

       1985年，Strickland 和 Mourou 提出了啁啾脉冲放大理论，为飞秒激光器的发展奠定理论基础。

       1989年，P. N. Kea 等人发明了耦合腔锁模技术，也称为附加脉冲锁模，并获得了数百飞秒的激光脉冲。

       1991年，D. E. Spence 等人又利用自锁模技术，以掺钛蓝宝石为增益介质，获得了60飞秒的激光脉冲，这被看成是人类历史上第一束真正意义上的飞秒激光脉冲。同年，A.Sullivan 等人获得了100fs，峰值功率为3TW 的激光脉冲。以钛宝石晶体作为增益介质的激光器，其优点是结构简单、性能稳定、工作寿命长，而且其峰值功率高，能够调谐的范围大，能够广泛应用。所以迅速取代了染料激光器的地位，迅猛的发展起来。

       1993年，M.T.Aaki 等人用掺钛蓝宝石激光自锁模技术，得到了11fs 的激光脉冲，同样美国华盛顿州立大学和奥地利维也纳大学获得了10fs 的激光脉冲。

       1996年，C.P.J.Barry 等采用再生放大脉冲整形和高阶色散补偿技术，获得了脉宽 18 fs，4.4TW 的峰值功率脉冲输出。

       1997年，U.Keller 等人利用啁啾技术与棱镜结合的方式获得了6.5fs 的激光脉冲。同年，Stuart 等利用钕玻璃放大器，获得了395fs，峰值功率125TW 的激光脉冲。1999年，Perry 等改进了钕玻璃放大器，获得了440fs，峰值超过1.5PW 的激光脉冲。 

       2004年，日本北海道大学研究小组利用光纤对啁啾放大系统输出的脉冲光谱进行展宽后再进行压缩，获得了脉宽为2.8fs 的飞秒激光脉冲。同年，国内中科院上海光机所用自己的生产的钛宝石晶体，成功获得了36fs，峰值功率120TW 的激光脉冲。

       在近年的研究中，奥地利维也纳大学、加拿大国家研究中心和德国比利菲尔德大学的研究人员利用强场高次谐波的技术，成功获得了650埃秒（as）激光脉 4冲。这使激光的发展跨出了飞跃的一步。 由于飞秒激光自身的特点，脉冲短，能量高，峰值功率大，其在应用方面有着广阔的前景。飞秒激光技术已经广泛的应用于环境、信息、医疗、国防、工业等各个领域。

       飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，一飞秒就是10的负15次方秒，也就是1/1000万亿秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍。这是飞秒激光的第一个特点。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。

       2024年2月4日，从中国科学技术大学获悉，该校工程科学学院微纳米工程实验室副教授李家文课题组，提出适用于三维毛细血管支架高效构建的飞秒激光动态全息加工方法，并用其打印出三维毛细血管网络。该成果已发表于《先进功能材料》，相关技术已获专利授权。

和准分激光区别

       飞秒激光和准分子激光在多个方面存在显著的差异。以下是对这两种激光的详细比较：

激光性质

       准分子激光：是一种远紫外冷激光，穿透力微弱。其波长是193nm，主要原理是通过打破细胞之间的分子键，直接使组织气化产生作用。

       飞秒激光：是一种脉冲形式的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，穿透力比较强。其波长大约是1053nm，主要作用是在组织之间产生小气泡，气泡通过爆破原理达到分离作用。

手术方式

       准分子激光：手术过程中需要先制作角膜瓣，通常选用不同直径的上皮环钻分离角膜边缘，使其形成角膜瓣，然后用准分子激光切削角膜基质层。

       飞秒激光：手术过程中无需制瓣，是在角膜上进行立体切割，制作成一个合适的角膜基质透镜，再由微小的角膜切口取出透镜即可。

手术效果与优势

       准分子激光：

       切削整齐光洁、精确性高、预测性强、稳定性好、合并症极少。

       患者手术中无痛苦、无需住院、不影响正常的工作生活。

       具有响应快、安全性高的优点。

       飞秒激光：

       全程不揭瓣，且更精准，手术后视力恢复快，用药时间短、副作用少，可以提高视觉质量。

       飞秒激光比准分子激光更安全，它可以根据患者的个体化差异调节瓣的厚度、瓣和蒂的位置，且每个人都是用无菌治疗包，感染风险更小。

       飞秒激光手术适应度数为100~1200度，600度以内的散光。

价格与应用

       准分子激光：相较于飞秒激光，价格更为亲民。

       飞秒激光：价格较高，但由于其卓越的性能和广泛的应用范围（包括环境、信息、医疗、国防、工业等领域），仍受到市场的青睐。

       综上所述，飞秒激光和准分子激光在激光性质、手术方式、手术效果与优势以及价格与应用等方面都存在显著的差异。在选择时，患者应根据自身的具体情况和医生的建议来做出合适的选择。