强激光的技术应用

飞秒激光器的发展研究及应用激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。自七十年代世界第一台激光器，红宝石激光器的问世以来，激光技术迅速风靡世界，从固体激光器到半导体激光器，从可见激光到超强激光，人们对激光器的追求向着更高功率，更高可靠性，更高能量转换发展，强激光成为激光科学研究的前沿领域，在该领域所获得的众多研究成果已经或正在转化为现实生产力。现如今强激光的应用范围从科学领域不断拓展到工业、国防军事、医学卫生等领域，已成为当代新技术的重要支柱。1、飞秒激光器的发展八十年代来，随着人们对强激光不断探索，调Q技术以及锁模技术被发现并应用，激光的短脉冲化日渐突显，激光脉冲已经从纳秒量级迅速发展到皮秒量级，到1981年美国的Fork等人在染料激光器中采用碰撞锁模方式获得了脉冲宽度小于100fs的激光脉冲，标志着飞秒激光时代的来临。1990年Sarukura等人用可饱和吸收染料的被动锁模成功地获得的50fs脉冲宽度，这是飞秒激光器的又一进步，获得的脉冲宽度进一步缩短。随后，新的宽增益带宽工作物质和非线性被动锁模技术的出现，锁模固体激光器随着迅速发展起来。1991年英国圣安得鲁大学的Spence等实现了钛宝石自锁模激光运转，标志着飞秒激光器进入固体化阶段。至此，飞秒激光脉冲不仅输出功率提高了近两个数量级，而且在可调谐范围和脉冲宽度方面也有新的突破，当然，钛宝石飞秒激光器依然是目前技术最成熟、应用领域最广泛的飞秒激光器。1993年，M.T.Asa等在钛蓝宝石震荡激光器中采用标准的熔石英棱镜，利用其色散补偿作用，获得的激光脉宽达到11fs。1994年，针对棱镜中高阶色散对脉宽的影响，F.Kra提出了啁啾镜技术，使飞秒激光脉冲迅速降到了10fs以内。直到2000年，人们对钛蓝宝石激光器采用增强自相位调制与色散管理技术，使得飞秒激光脉冲达到5fs。飞秒量级激光器的问世为未来强激光事业的发展奠定了基础，随着飞秒激光脉冲的不断窄化和应用研究的不断深入，周期量级飞秒激光脉冲载波包络相位的研究已经成为近年来超快激光科学和计量领域一个热门的研究方向,并直接导致了阿秒科学的革命性进展。2、飞秒激光器的工作原理一台典型的飞秒激光器的主要结构包括泵浦源、增益介质和光谐振腔三个组成部分。由于飞秒激光获得脉冲更短、功率更高的强激光，因此飞秒激光器的各个结构以及工作原理不同于普通激光器，下面以飞秒钛宝石激光器为例，飞秒钛宝石激光器是目前能产生飞秒量级脉冲的应用最广泛的激光器。飞秒钛宝石激光器包括飞秒激光振荡器和飞秒激光放大器两部分，振荡部分产生激光，其工作原理为，由泵浦源所发射的泵浦激光入射到钛宝石晶体上，产生反转粒子；平面镜Ｍ1和半透镜ＯＣ构成谐振腔，腔内两个曲率半径相同的凹面镜Ｍ2、Ｍ2到聚焦的作用；此外，在激光腔内还要有专门的色散补偿装置－切成布儒斯特角的棱镜对Ｐ１、Ｐ２。飞秒钛宝石激光器具体结构如下图所示：飞秒钛宝石激光器示意图Ti:S晶体是掺钛的Al2O3单晶，空间群为它的物化性质与红宝石相似Ti3+离子电子能级与周围蓝宝石晶格的振动能级间的耦合使激发态能级分裂成E1/2和E3/2两个能级，基态能级分裂成2E1/2,E1/2及E3/2三个能级，如图所示，掺钛宝石激光器光子跃迁发生在2T2g(基态)和2Eg（激发态）,这是2D能级的两个分裂能级。掺钛蓝宝石激光器中的Ti3+离子能级图3、飞秒激光器的应用飞秒激光具有超快时间分辨和超高峰值功率的特征，在自然科学的各个领域都发挥着非常重要的作用。目前，以飞秒激光为技术平台已经出现了多个学科。3.1科研应用在科学研究方面，飞秒激光是科学探索的最有力武器，通过对飞秒激光与物质相互作用，我们可以观察各种奇特现象，可以收获到硬X射线、伽马射线，高能离子、高次谐波，软X射线。比如，气态的物质，固态的物质，液态的物质在飞秒强激光作用下会变成等离子体，因此，科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生起重要作用。此外，通过强激光与物质相互作用，还能有利于我们激光物理，非线性光学，天体物理，原子核物理，加速器物理，高能物理，凝聚态物理，相对论物理激光驱动惯性约束核聚变，等等物理界基础应用学科的探究，为发现更多未知现象带来极大的机遇和便利。3.2工业应用除了科学领域，飞秒激光器还能用于工业生产方面。飞秒激光作为超短超强脉冲激光，在材料微加工方面能够提高多量子过程，在极短的时间实现了辐射作用机制。用飞秒激光进行加工，没有热效应和冲击波，对材料没有损伤。此微加工技术将在超高速光通讯、强场科学和纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在的市场前景。3.3、医学应用在医学领域方面，飞秒激光器应用也是非常广泛的，比如，诊断（图像和光谱）和材料处理，在眼科手术中，由于飞秒激光器具有更高的精确性和更低的维护费用，它有可能替代准分子激光器。其它令人兴奋的应用还包括产生阿秒脉冲，太赫兹光谱学，光学相干断层扫描（OCT）。OCT技术是一种强大的医学成像技术，可以在某一相当于一个低功率显微镜的分辨率下，获取透明或不透明材料表层下的图像。它提供了组织形态学的图像，图像分辨率降低到1um，这一分辨率比其他的成像技术（如核磁共振成像或超声波）都要高。另一个令人兴奋的应用是将其用在多光子显微镜中。这项技术的引入可以使多光子显微镜的分辨率达到亚波长量级，还可以通过在皮肤组织内设置点，获得皮肤下的成像。这些医学前沿手段必将被未来医学广泛使用。如今虽然激光技术已经快速从飞秒量级发展到阿秒量级，在科研方面还有更多未知现象等待科学家发现，未来，科学家致力于获得更高强度的激光，来辅助其它物理现象的研究，因此，强激光技术的发展是显而易见的，但是不得不承认，飞秒激光器由于其极高的技术要求和科技发展的局限性，在应用方面，飞秒激光以及更高激光的应用领域还是比较狭窄的。我们知道，飞秒激光器现在还是一种比较昂贵的仪器，因此，在一个系统中使用一个飞秒激光器实现两种技术是比较明智的扩大投资，同时也发展一个有力的判断工具。现在在生产生活领域的需求是具有下一代科技的产品可以被更快地推出，同时也要求生产具有低成本的更加适用的激光器，让高端科技与我们生产生活相接轨，或许也是飞秒激光的另一个发展方向。光在能绕地球周半,而在一内只前进林,约为毛发直径的。