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　　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。是一种可以满足顾客需求的系统，飞秒激光器可工作于十分恶劣的工作环境。

飞秒激光器是什么

　　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(即百万分之一秒)，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。

　　通常，我们用闪光摄影能够剪下活动物体的瞬间状态。同样如果用飞秒激光器闪光，则连以剧烈速度进行化学反应的过程，都有可能看到其反应的每个片断。为此，可以使用飞秒激光器来研究化学反应之谜。

　　现在飞秒激光器还应用于物理、化学、生命科学、医学、工程等广泛领域，特别是光与电子携手，期待在通信或计算机、能源领域开辟各种新的可能性。这是因为光的强度几乎可以毫不损耗地从一地到另一地传输大量信息，使光通信进一步高速化。在核物理学的领域，飞秒激光器带来了巨大冲击。因为脉冲光具有非常强的电场，在1飞秒内有可能将电子加速到接近光速，所以，能够用于加速电子的“加速器”。

飞秒激光器的原理及结构

　　激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。处于激发态的原子是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子会自发辐射而产生光子。而在有外界作用下，则会增加两种新的形式：受激辐射和受激吸收。激光是通过受激辐射来实现放大的光，而光和原子系统相互作用时，总是同时存在着自发辐射、受激辐射、受激吸收(在有外界作用下，自发辐射相对较弱，可以忽略)。

　　飞秒激光器为了能产生激光，就必须使受激辐射强度超过受激吸收强度，即使高能态的原子数多于低能态的原子数。这种不同于平衡态粒子分布的状态称为粒子数反转分布。也就是，飞秒激光器要产生激光，必须实现粒子数反转分布。

　　粒子数反转分布是产生激光的一个必要条件，而要实现粒子数反转分布和产生激光还必须满足三个条件：

　　①要有能形成粒子数反转分布的物质，即激活介质(这类物质具有合适的能级结构);

　　②要有必要的能量输入系统给激活介质能量，使尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态以实现粒子数反转，这一系统称作激励能源(或泵浦源);

　　③要有光的正反馈系统——光学谐振腔，当一定频率的光辐射通过粒子数反转分布的激活介质时，受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数可使光辐射得到放大，要使这种光放大并且以一个副长光子感应产生一个受激发射光子的单次过程为主，还能形成高单色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必须使用光学谐振腔。

　　因此，常用飞秒激光器由三部分组成：激活介质、激励能源、光学谐振腔。

飞秒激光器的特点

　　飞秒激光器的主要特点是超高速和chao强电场。飞秒激光脉冲的峰值功率非常高，一旦将这种光聚焦到很小的范围内就有可能无热影响地照射材料使其直接电离，从而产生强大的电场和磁场。飞秒激光照射在材料上时，材料对光子的吸收机理与普通激光加工时的光子吸收机理不同。

　　在普通激光加工当中，能量低时光子则不被吸收，而飞秒激光的光子密度较大，即使单光子的能量比吸收光谱的能量小也可能被材料吸收。飞秒激光加工通过聚光透镜的聚光点产生多光子吸收，从而实现对材料内部的加工。而且飞秒激光照射时不会产生热变形和热变质等损伤，也不会对随温度升高而产生物理变化的半导体材料、脆性材料造成损伤，并可实现高精密加工。

飞秒激光器的作用

　　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。飞秒激光器的出现使人类diyi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，飞秒激光器在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。由于飞秒激光器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YL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。

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　　飞秒激光器具有极短的脉冲宽度、极高的峰值功率和极宽的光谱范围，在强场激光物理、超快化学动力学、微结构材料科学和生命科学等不同领域有着广泛应用。

飞秒激光器发展现状

　　飞秒激光器目前主要存在四大类别：

　　1、由有机染料为介质的飞秒染料激光器

　　不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了从紫外到近红外波段，但Z有效的还是集中在红光波段。随着固体、半导体、光纤飞秒激光器的崛起，飞秒染料激光器在红外和紫外波段已经失去了竞争能力，但在可见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分辨光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过程的研究中。

　　2、以掺钛蓝宝石，Li：SAF，掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒固体激光器

　　由于这种固体材料具有比染料更宽的调谐范围，更大的饱和增益通量和更长的激光上能级寿命，使其在飞秒激光运转的许多特性都优于染料激光器，加之固体材料具有更稳定的光学性质和更紧凑的结构，使得飞秒固体激光器在很短的时间里发展成为飞秒激光器的主体。

　　3、以多量子阱材料为代表的飞秒半导体激光器

　　超短脉冲半导体激光器的研究在很长时间里始终没有跨越皮秒级，直到将多量子阱材料引入到短脉冲半导体激光器中，才使超短脉冲半导体激光器成为飞秒激光器家庭中的重要成员。飞秒半导体激光器主要应用于高比特多路通信，超长距孤子光纤通信等领域。

　　4、以掺杂稀土元素的SiO2为增益介质的飞秒光纤激光器

　　这种飞秒激光器主要特点是结构紧凑，小巧，GX率，低损耗，负色散和全光学，其波长适用于光通信，特别适用于孤子传输的研究。

　　飞秒激光器的发展主要有两个方向：一个是脉冲宽度的进一步压缩;另一个是增益介质的选取。而目前的发展主要体现在增益介质的选取上。

飞秒激光器应用前景

　　材料加工是飞秒激光器主要而直接的应用，由于飞秒激光具有许多无与伦比的优点，使其在测量、微电子、微机电系统、化学、生物、医学、军事等领域发挥着越来越大的作用。随着飞秒激光技术的日趋成熟，飞秒激光器将在核物理、飞秒脉冲光谱学、超高速光通信等领域有着不可替代的地位。

　　1、在纯硅玻璃或掺锗硅玻璃中，用可见飞秒激光器可实现明显的激光损伤和光致折射率改变。激光照射区域通过色心形成，晶格缺陷，甚至小区域熔化实现致密化，增大折射率。

　　2、利用飞秒激光器还原稀土离子。实验发现，用飞秒激光照射Sm3+样品后有Sm2+存在，并且发现通过420℃退火一小时后Sm2+又重新变为Sm3+，这使材料的多次存储成为可能。

　　3、将两束相干飞秒激光同时聚焦照射在二氧化硅玻璃上，可以形成光栅。

　　4、用飞秒激光器照射含稀土离子的玻璃，可以观察到长磷光现象。通过改变玻璃的成分和稀土离子的种类，可以在玻璃内部有选择的写入各种颜色的立体图像。利用此现象可以形成自动消失的光存储元件和三维显示器件。

　　5、利用飞秒激光器可以实现诱导晶体相变。在α-BBO晶体中诱导产生β-BBO实现诱导相变，属于结构重建型相变，相变温度为925±5℃。高低温之间的相变是一个渐变过程，速度较慢，存在相变滞后的问题。飞秒激光可以在强电磁场和热的作用下，有可能空间选择性的实现α-BBO到β-BBO的相变。

　　6、飞秒激光相干控制技术实现了光通信光电转换速率的突破，实际上，飞秒激光器在高速光通信中有着更广泛的意义。利用飞秒激光技术可以实现带宽为tHz的光纤网络，从而促使半导体激光的超短技术和开关技术的快速实现与发展。同时也带动一些相关领域如飞秒光电子非线性相互作用、量子点物理、tHz电磁辐射以及飞秒X射线技术等的飞速发展。

　　7、利用飞秒激光器的超高速性能可控制原子和分子的反应。目前此项研究已经达到高潮。

　　随着飞秒激光器的进一步发展和完善，一定能开辟出更多的应用前景。

与飞秒激光器发展现状|前景相关文文章：

　　飞秒激光器是一种脉冲激光器。飞秒是指的脉冲持续时间。这和脉冲的频率不是一回。脉冲的频率是指1s内，激光器发出的脉冲数目。由于飞秒脉冲的优异特性，使飞秒激光器在许多方面得到重要的应用。

飞秒激光器在材料加工中的应用

　　飞秒激光器以其独特的超短持续时间和chao强峰值功率开创了材料超精细、低损伤和空间三维加工处理的新领域，而且应用越来越广泛。

　　对金属材料的加工应用：

　　对一般金属来说，由于具有很高的热导性和较高的熔点温度，在其表面实现高精度和高质量的钻孔和切割有很大的困难。用飞秒激光器切割，切缝的边缘整齐，金属表面没有材料熔化的痕迹。飞秒激光精密成形技术已在汽车发动机喷油嘴的成形生产中得到了应用，用飞秒激光精密成形微孔技术已替代了原先电火花加工工艺，孔的清洁度得到大大提高。对非金属材料的加工应用。

　　对透明材料的加工应用：

　　在透明材料中的应用主要指制造光纤通信器件。用飞秒激光器可以在工件内部进行加工，而且不损伤材料表面，因此可以通过改变晶体的折射率，实现透明晶体内部形成光波导或在光纤内实现折射，并且可以实现三维激光存储。此外还可以对光子晶体、蓝宝石、金刚石、水晶等进行加工制作。

　　对半导体材料的加工应用：

　　传统的半导体材料加工是采用激光照射，利用材料的应变，并以热变质的方式达到实用化。而采用飞秒激光器加工材料不仅使材料表面几乎没有热变质层，而且也避免了由热变质引起的材料损伤，可以实现微米级的加工。

　　对聚合复合物材料的加工应用：

　　传统的激光加工方法依赖于单光子线性吸收机制，加工精度较低，空间加工能力差。而超高峰值强度的飞秒激光器为加工这类材料提供了必要条件。飞秒激光还可用于切割分离一些高爆危险物品，这是因为飞秒激光脉冲作用过程中等离子体的形成和材料的去除均非常快速，以至于没有过多的能量传递给剩余材料，没有任何化学反应痕迹，使得其加工处理过程中的安全性大大增加。

飞秒激光器在光通信中的应用

　　能否实现光纤通信的一个关键问题就是光纤的光强损耗能否降低到10Db/km以下，如果损耗过大，光纤通信就没有实际意义。飞秒激光器由于其高光强、高频率、相干性好等特殊性，使得它在光纤通信应用方面占有了的优势。

　　半导体器件是光通信中的重要部分，目前光通信的通信码率已经达到了20Gbit/s以上。虽光纤通信的容量很大，但超高速的通信码率受到光电子器件材料的响应时间的限制，不能适应超高速光通信的需要。可以利用飞秒激光器相干控制技术达到这一需求。

　　在这一技术中，利用两个相干的飞秒脉冲激发半导体器件，diyi个脉冲在器件中产生相干性好的载子布居，然后调节第二个脉冲的相位，利用两光脉冲的相干实现开关作用。这样便能解决因材料本征能级寿命较长造成的关断变慢的限制，开与关的时间取决与两个飞秒脉冲的时间间隔因而可以做得更快，Z终能达到的速度只受量子力学原理限制。波分复用、时分复用和光孤子通信是实现高速光纤通信的主要手段。

飞秒激光器在化学、生物中的应用

　　近年来，用飞秒激光器控制化学反应过程和产物是化学反应动力学过程研究的新进展，而在生物学研究中主要集中在细菌绿素光合作用反应ZX和视红质天线分子的电荷迁移和能量弛豫动力过程。超短脉冲可能的高时间分辨对化学和生物化学动力学研究是吸引人的。

　　光合作用之类的反应，其diyi步首先涉及溶剂化过程，这个过程发生于100fs时间尺度上，分子键也可在100fs时间尺度上形成和断裂。为了观测动力学过程，探测脉冲必须短得多，10fs持续时间是非常合适的脉宽。

　　在短时间尺度上，人们实际可看清脉冲的周期并通过用标准波形对电子的辐照来控制电子，这种操纵可用于控制化学反应、原子过程或X射线的产生。在生物领域，科学家们用飞秒激光器去开展关于制造基因、蛋白质分析用的微型芯片的应用研究。

飞秒激光器在YL中的应用

　　飞秒激光器已经广泛永远于眼科、手术外科、脑神经外科等YL领域，并且取得了初步成果。应用飞秒脉冲技术对糖尿病引起的青光眼或斑疹水肿之类的视网膜疾病的诊断和监视特别有希望，原因是它可以测量这种疾病的发展进程。在较长脉冲情况下，烧蚀阈值存在较多不确定因素，在能量过剩情况下，较长脉冲具有烧坏周围区域的危险。在几百飞秒状态下，激光脉冲可以调节，从而避免了间接损伤。

　　飞秒激光器的热影响很小，用它做手术刀不会损伤周围的其他组织，对于心肌梗塞、脊髓手术、近视矫正手术，飞秒激光将是理想的选择。用飞秒激光照射人的角膜，可以进行比ArF准分子激光更细微的视力矫正手术。利用激光的吸收性可以ZL龋齿而几乎没有疼痛。此外，飞秒激光还可对细胞进行操控。用显微镜把飞秒激光会聚成微小光点，利用激光产生的冲击波将分裂的细胞分离开的实验已经取得了成功。

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