超短脉冲激光技术之飞秒激光器

在超短脉冲激光器中，有一种激光器比较前沿，叫飞秒激光器。

飞秒激光器是仅以千兆分之一秒左右的超短时间放光的“超短脉冲光”发生装置。飞是国际单位制词头飞托(femto)的缩写，1飞秒=1×10^-15秒。所谓脉冲光是仅在一瞬间放光。照相机的闪光的发光时间是1微秒左右，所以飞秒的超短脉冲光只有其10亿分之一左右的时间放光。众所周知，光速是以30万千米每秒(1秒间绕地球7周半)无与伦比快的速度飞驰而过，但是在1飞秒期间连光也只不过前进了0.3微米。

在飞秒内的世界连光都被冻结得无法前进很远，但是即使这个时间尺度，在物质中的原子、分子以及计算机芯片内部的电子在电路内依旧运动。如果使用飞秒脉冲就能让其瞬间止住，研究发生了什么。除了闪光让时间止住外，飞秒激光器还能够在金属上钻出直径最小达200纳米(万分之二毫米)的微孔。

这意味短时间内被压缩锁定在里面的超短脉冲光获得超高输出的惊人效果，而且对周围不产生额外损伤。再者，飞秒激光器的脉冲光能够极精细地拍摄对象的立体图像。立体图像摄影在医学诊断上具有非常用途，由此开辟了一门称之为光干涉断层学的新的研究领域。这是利用飞秒激光器拍摄活的组织、活的细胞的立体图像。

例如，用非常短脉冲光对准皮肤，脉冲光在皮肤表面反射，有部分脉冲光射入皮肤中。皮肤内部由许多层构成，射入皮肤的脉冲光作为小脉冲光被弹回，从反射光中这些形形色色的脉冲光的回波，能够知道皮肤内部的构造。

此外，这项技术在眼科医学中有很大的实用性，能够拍摄眼睛深处视网膜的立体图像。医生以此能够诊断其组织是否有问题。这种检查不仅限于眼睛，如果用光纤将激光器送入体内的话，能够检查体内的各种器官的所有组织，将来甚至有可能检查是否变成了癌。

飞秒已经超乎我们的想像。现在我们又涉足比飞秒更短的“阿秒”世界。阿是国际单位制词头阿托(atto)的缩写。1阿秒=1×10^-18秒=千分之一飞秒。阿秒脉冲不能用可见光制造，因为缩短脉冲必须使用更短波长的光。例如想用红色可见光制造脉冲的情形，不可能制造比那个波长更短的脉冲。可见光是2飞秒左右的界限，为此阿秒的脉冲用波长更短的x射线或伽马射线。使用阿秒x射线脉冲，将来能发现什么还不清楚。例如使用阿秒之间闪光将生物分子可视化，在极短的时间尺度下能够观察其活动，或许还能查明生物分子的结构。

阿秒激光器目前还处于研究阶段，在此暂时不再赘述，一般日常生活中，我们常见的超短脉冲激光技术，主要还是集中在皮秒激光器和飞秒激光器。

皮秒激光器是一种能够产生皮秒（picosecond, ps）级别超短脉冲激光的设备，1皮秒等于一万亿分之一秒（10^-12秒）。皮秒激光器通过特定的物理过程（如模式锁定、Q开关技术等）在极短时间内集中释放巨大的光能量，形成具有极高峰值功率的超短脉冲激光。

飞秒激光和皮秒激光都是超短脉冲激光技术的代表，主要区别在于它们脉冲持续时间的不同，以及由此带来的应用特性的差异：

脉冲持续时间：

飞秒激光：飞秒（fs）是时间单位，1飞秒等于10^-15秒，即一千万亿分之一秒。飞秒激光的脉冲持续时间在飞秒范围内，通常小于100飞秒，有的甚至达到几个飞秒。这种极端短的脉冲时间使得飞秒激光具有非常高的时间分辨率。

皮秒激光：皮秒（ps）也是时间单位，1皮秒等于10^-12秒，即一万亿分之一秒。皮秒激光的脉冲持续时间在皮秒范围内，一般从几个皮秒到几百皮秒不等。虽然也属于超短脉冲范畴，但相比飞秒激光，其脉冲要稍长一些。

光子能量与作用机制：

飞秒激光：由于脉冲极短，飞秒激光的光子能量非常集中，能够在极短时间内传递给物质，导致非热效应占主导，即所谓的“冷加工”。这种非热效应使得飞秒激光在材料加工中能够实现极高的精度和最小的热损伤，非常适合精密微加工、眼科手术、生物组织切割等领域。

皮秒激光：皮秒激光虽然脉冲较长，但仍属于超短脉冲范畴，能够在一定程度上减少热效应，但相比飞秒激光，热效应更为显著。皮秒激光在材料加工中能够实现较好的边缘质量，适用于激光标记、太阳能电池加工、某些医疗美容治疗（如色素沉着、纹身去除）等，平衡了加工速度和热影响区大小。

应用领域：

飞秒激光：由于其极高的时间分辨率和几乎无热效应的特点，飞秒激光在超精细加工、生物医学（如角膜手术、细胞成像）、材料科学（如非线性光学效应研究、材料改性）等领域有着不可替代的作用。

皮秒激光：皮秒激光虽然在时间分辨率上略逊于飞秒激光，但其较高的脉冲能量和较好的性价比使其在许多工业加工、微电子制造、激光清洗、医疗美容等领域得到广泛应用。

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