超快激光

      什么是脉冲宽度？就是激光发射的时间长短。

      想象一下，光在如此短的时间，能跑多远？假设地球上有个人将激光笔对着月亮，大概1.3秒后，激光就会达到月球表面。当然得理想化一点，光没有散射或损耗。而对于1皮秒的时间，光也就只能走头发丝打个结的距离了。

      下面是时间单位换算的公式，可以看出1皮秒的时间有多短：

      1 秒(s)=10-0s=1s

      1 纳秒(ns)=10-9s=0.000 000 001s

      1 皮秒(ps)=10-12s=0.000 000 000 001s

      1 飞秒(fs)=10-15s=0.000 000 000 000 001s

      工业激光器中皮秒激光器、飞秒激光器、以及科研领域比较热的阿秒激光，这些都属于超快激光的范畴。对于脉宽介于几十皮秒和1纳秒之间的激光器，行业人员不会将之称为超快激光，而是称之为亚纳秒激光器。

      超快激光器根据波长不同，又可以分为红外皮秒、绿光皮秒、紫外皮秒等。

优势

      超快激光是激光领域重要的发展方向之一，作为一种新兴的技术手段，在精密微细加工方面有着显著优势。超快激光产生的超短脉冲与材料相互作用时间极短，不会给周围材料带来热影响，因此超快激光加工也被称为冷加工。这是因为，当激光脉冲宽度达到皮秒或飞秒量级，可以在很大程度上避免对分子热运动的影响，产生更少的热影响。

      超快激光器的两大核心诉求——高稳定性的超短脉冲和高脉冲能量。可以利用锁模技术获得超短脉冲，利用CPA放大技术获得高脉冲能量，其中涉及的核心部件包括振荡器、展宽器、放大器和压缩器等。

应用

医疗领域

       飞秒激光视力矫正，也是大家比较熟悉的激光应用之一。在众多的近视矫正术中，全飞秒激光手术已经成为主流治疗近视眼的方法，与传统的准分子激光手术相比，全飞秒激光手术具有手术准确度高、无明显疼痛感、术后视觉效果好等优势。

       由于心脏支架壁管极薄，通常采用激光加工代替常规的机械切割。但是，使用普通激光通过烧蚀融化来加工，这样加工的心脏支架存在毛刺多、切槽宽度不统一、表面烧蚀严重、筋宽不均匀等一系列问题。近年来，国外企业已经开始采用飞秒激光进行支架切割。

科研领域

       双光子聚合技术(2PP)是一种“纳米光学”3D打印方法，类似于光固化快速成型技术，未来学家 Christopher Barnatt认为这种技术未来可能会成为主流3D打印形式。双光子聚合技术的原理是通过使用“飞秒脉冲激光”选择性固化感光树脂。听起来似乎像光固化快速成型，区别在于双光子聚合技术能够实现的最小层厚和X-Y轴分辨率均在100纳米和200纳米之间。换句话说2PP 3D打印技术比传统光固化成型技术精确度高了几百倍，打印出来的东西比细菌还小。

显示面板切割（贝塞尔光束）

       关于贝塞尔光束的激光应用，国内基本比较成熟了。最成功的案例，我想应该就是激光切割显示面板了吧。由于激光加工效率高，稳定好，维护方便，目前激光倒角机已经基本取代了机械式倒角机。

       这项激光加工技术的基本原理是通过超快激光的光束整形，获得长焦深的贝塞尔光束，作用于显示面板的玻璃基板，实现任意形状的切割。市场上的各种全面屏手机，例如刘海屏，水滴屏，美人尖等，这些屏幕外形基本都是采用超快激光切割获得的。

       贝塞尔激光切割透明脆性材料，严格来讲是包含两个步骤，即切割+裂片。因为激光切割后，材料并不能自动脱落，而是需要借助外力实现裂片。而裂片的难度随着切割材料的厚度增加，是明显增大。对于切割较厚的材料，要么可以多次切割，来弥补切割焦深不够的不足，要么提高激光脉冲能量，设计更长焦深的切割头。此外，技术上也有一些解决方法，例如burst-mode脉冲串模式。再不够的话，那就得依靠激光技术的提升，获得更高的脉冲能量了。

       而裂片，就相对复杂一些了。不仅仅是因为材料厚度增加后，裂片的阻力明显增大。还包括切割形状（例如异形）、切割内封闭图形、材料特性等因素，使得裂片的难度和复杂性明显增大。

和普通激光的区别

超快激光和普通激光的基本原理

       超快激光和普通激光的基本原理都是利用激光器产生的大量光子，对物质内部粒子进行能量转移，从而引发化学反应、光电子发射等物理现象。区别在于，超快激光的脉冲时间极短，一般在飞秒和皮秒级别，比普通激光的脉冲时间短几个数量级。由于超快激光的千分之一秒级别的脉冲时间，可以在极短的时间内将高能量聚焦到极小的空间内，从而产生高能量密度的光束，更适合用于精细材料加工、医学影像、科学实验和高速通讯等领域。

超快激光和普通激光的应用比较

       1、工业应用

       普通激光在工业领域主要应用于材料加工，如激光切割、激光打标、激光钻孔、激光焊接等。而超快激光的应用则更广泛，可以用于精细加工，如生物药品加工、电子元器件加工和光电子材料加工等。此外，超快激光还可以用于制造微米级别的3D立体结构，为现代化制造业带来新的机遇。

       2、医疗应用

超快激光可以用于医疗领域的手术、诊疗和研究。例如，利用超快激光对角膜进行准确切割，可以实现更精细的过程控制，提升了手术效果和成功率；利用超快激光进行光学断层扫描，可以实现更清晰的三维影像诊断。

       3、科学研究

       超快激光可以用于光学学、物理学、化学等领域的研究。例如，利用超快激光进行光譜分析，可以对物质的分子结构、光电子传输机制等进行深入探究；利用超快激光进行高能粒子加速，可以模拟探究宇宙中物理现象。

超快激光的优势和瓶颈

       超快激光具有高精度、高稳定性、高效率等优势，但也存在一些问题，如技术成本较高、规模化应用受限、对材料要求高等。这些问题对于产业化发展和应用拓展均提出了挑战，需要在技术创新、产业联合和政策支持等方面寻求应对之路。

超快激光的发展趋势

       随着科技的不断发展和市场的不断需求，超快激光应用领域的未来发展趋势将更广泛和深入。例如，促进新能源开发、推动生物信息领域发展、加速智能制造和物联网等方面的创新。在应用和市场方面，超快激光的产业价值也将不断提升。

       超快激光和普通激光各有特点，应用领域也不相同。随着科技的不断发展和市场的不断需求，超快激光的应用前景将更加广泛和深入。作为新兴技术的代表，超快激光的技术和产业应用在不断拓展，为人类的科学研究和生产制造带来了更多的可能性。

原理与技术

       超快激光的原理与技术主要涉及激光的产生、脉冲宽度的控制以及其在各个领域的应用。以下是对超快激光原理与技术的详细解析：

一、超快激光的原理

       1. 激光的基本原理

       激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，LASER）的工作原理基于受激发射放大。这一过程涉及原子的能级跃迁和光子的受激辐射。当原子受到外界能量激发后，会从低能级跃迁到高能级，形成粒子数反转。在适当的条件下，高能级原子会受激辐射出与入射光子相同频率、相位、传播方向和偏振状态的光子，从而实现光放大。

       2. 超快激光的定义

       超快激光通常是指脉冲宽度在皮秒（10-12秒）或飞秒（10-15秒）量级，甚至更短的激光脉冲。这种激光能够在极短的时间内产生高能量密度的光束，从而实现对物质的高精度、高效率加工和探测。

       3. 锁模技术

       超快激光的产生主要依赖于锁模技术。锁模技术通过在激光共振腔中的不同模式间引入固定的相位关系，使得这些模式之间的干涉产生一系列的脉冲，从而将激光器的输出脉冲宽度减小到超短脉冲的水平。锁模方法包括主动锁模、被动锁模和自锁模等。

       在被动锁模中，常用的技术包括可饱和吸收体锁模（如SESAM锁模）和克尔锁模（自锁模）。SESAM锁模通过可饱和吸收体的非线性吸收特性实现脉冲压缩和稳定输出；克尔锁模则利用增益介质的克尔非线性效应实现自聚焦和脉冲输出。

二、超快激光的技术

       1. 脉冲产生与放大

       除了锁模技术外，超快激光的脉冲产生还涉及光学参量放大器（OPA）或光学参量振荡器（OPO）等装置，这些装置可以将种子光的能量进行放大，从而获得高能量的超快激光脉冲。

       啁啾脉冲放大技术（CPA）是实现超高峰值功率激光脉冲的重要技术。该技术通过将脉冲在时域上进行展宽、在频域上进行压缩，从而降低脉冲的峰值功率密度并消除非线性效应，进而在放大过程中获得更高的能量增益。放大后的脉冲再通过压缩器恢复到超短脉冲宽度。

       2. 脉冲整形技术

       脉冲整形技术通过改变激光的波形和相位分布实现对激光脉冲的精确控制。这一技术对于提高超快激光的加工精度和探测能力具有重要意义。

三、超快激光的应用

       1. 材料加工

       超快激光在材料加工领域具有广泛应用，包括微细钻孔、切割、焊接等。由于其脉冲宽度极短且峰值功率高，超快激光能够在不引起周围材料热影响的情况下实现高精度加工。

       2. 生物医学

       在生物医学领域，超快激光可用于光热治疗、光动力治疗等。其高精度和高效率的特点使得超快激光在生物组织无损探测和微观操作方面具有显著优势。

       3. 光学测量

       在光学测量领域，超快激光可用于测量材料的折射率、厚度等参数。其高时间分辨率和单色性使得超快激光成为光学测量中的重要工具。

       4. 其他领域

       此外，超快激光还在光谱学、天文学、量子信息等领域发挥着重要作用。例如，在光谱学中，超快激光可用于研究物质的瞬态过程和动力学行为；在天文学中，超快激光可用于探测遥远星系的物理性质。

       综上所述，超快激光的原理与技术涉及多个方面，包括激光的基本原理、锁模技术、脉冲产生与放大、脉冲整形技术以及其在各个领域的应用。随着技术的不断进步和创新，超快激光将在未来发挥更加重要的作用。