什么是超快激光？超快激光的應(yīng)用有哪些呢？

激光的原理早在 1916 年已經(jīng)由著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein）的受激輻射理論所預(yù)言。世界上第一臺(tái)可操作的激光器由梅曼（Theodore Harold"Ted" Maiman）在1960年成功研制，其增益介質(zhì)為紅寶石，波長(zhǎng)為 694.3nm。激光器的誕生正式將激光引入實(shí)用領(lǐng)域。

在工業(yè)上，通常將激光分為連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)、短脈沖、超短脈沖四類(lèi)?！俺旒す狻保ǔＪ侵篙敵黾す獾拿}沖寬度在10E-12S即皮秒級(jí)別，或小于皮秒級(jí)別的脈沖激光。

想象一下，光在如此短的時(shí)間，能跑多遠(yuǎn)？

假設(shè)地球上有個(gè)人將激光筆對(duì)著月亮，大概1.3秒后，激光就會(huì)達(dá)到月球表面。當(dāng)然得理想化一點(diǎn)，光沒(méi)有散射或損耗。而對(duì)于1皮秒的時(shí)間，光也就只能走頭發(fā)絲打個(gè)結(jié)的距離了。

1秒(s) =10E0s=1s;

1納秒(ns) =10E-9s=0.000000001s;

1皮秒(ps) =10E-12s=0.000000000001s;

1飛秒(fs) =10E-15s=0.000000000000001s;

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超短脈沖的成功產(chǎn)生得益于鎖模技術(shù)的誕生。該技術(shù)是通過(guò)在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關(guān)系，這些模式之間的干涉會(huì)使得激光產(chǎn)生一系列的脈沖，從而能夠?qū)⒓す馄鞯妮敵雒}沖寬度減小到超短脈沖的水平，其中超短脈沖指的是脈沖寬度在皮秒量級(jí)（Picosecond,ps,10E-12秒）至飛秒量級(jí)（Femtosecond,fs,10E-15秒）的激光脈沖，超短脈沖激光通常也被稱(chēng)為超快激光。

常見(jiàn)的工業(yè)激光器例如皮秒激光器，飛秒激光，以及科研領(lǐng)域比較熱的阿秒激光，都屬于超快激光的范疇。

對(duì)于脈寬小于1納秒，大于幾十皮秒的激光器，行業(yè)人員未將之歸為超快激光，而是稱(chēng)之為亞納秒激光器。

根據(jù)波長(zhǎng)不同，又可以分為紅外皮秒、綠光皮秒、紫外皮秒等。

一、超快激光的原理

超快激光是激光領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一，作為一種新興的技術(shù)手段，在精密微細(xì)加工方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。超快激光產(chǎn)生的超短脈沖與材料相互作用時(shí)間極短，不會(huì)給周?chē)牧蠋?lái)熱影響，因此超快激光加工也被稱(chēng)為冷加工。這是因?yàn)?，?dāng)激光脈沖寬度達(dá)到皮秒或飛秒量級(jí)，可以在很大程度上避免對(duì)分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，產(chǎn)生更少的熱影響。

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超快激光器的兩大核心訴求：

高穩(wěn)定性的超短脈沖、高脈沖能量。

可以利用鎖模技術(shù)獲得超短脈沖，利用CPA(Chirped Pulse Amplification)放大技術(shù)獲得高脈沖能量，其中涉及的核心部件包括振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器等。

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(1)激光鎖模技術(shù)

鎖模（Modelocking）是激光器產(chǎn)生超短脈沖的方法之一，與調(diào)Q（Q-Switching）相類(lèi)似，鎖模也是對(duì)激光器腔內(nèi)進(jìn)行調(diào)制，讓原本連續(xù)光（Continuous wave, CW）分裂，從而產(chǎn)生脈沖。但是鎖模與調(diào)Q僅僅是在物理現(xiàn)象上有所相似，其物理原理是完全不一樣的。

鎖模技術(shù)一般分為主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模。

除了主動(dòng)相位調(diào)制之外，一般都是通過(guò)損耗調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)鎖模，其中最常用的是通過(guò)飽和吸收（Saturated Absorption）效應(yīng)產(chǎn)生鎖模。

飽和吸收效應(yīng)，即光強(qiáng)越強(qiáng)，工作物質(zhì)的吸收越弱，當(dāng)光強(qiáng)足夠強(qiáng)時(shí)，飽和吸收體（Saturable Absober, SA）被“漂白”，對(duì)光不再吸收。

目前，工業(yè)級(jí)光纖鎖模種子源基本都是SESAM鎖模加線性腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中可以通過(guò)選擇不同的輸出啁啾光柵和SESAM參數(shù)，實(shí)現(xiàn)皮秒或者飛秒鎖模。

(2)CPA放大技術(shù)

2018年10月2日，瑞典皇家科學(xué)院公布了2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，由來(lái)自于美國(guó)的Arthur Ashkin，法國(guó)的Gerard Mourou和他的學(xué)生、 加拿大的Donna Strickland女士三位物理學(xué)家分享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。其中50%授予Arthur Ashkin的“光鑷及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”，另一半授予Gerard Mourou和Donna Strickland的“啁啾脈沖放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification，CPA)，用于生成高強(qiáng)度的超短脈沖激光的方法”。

鎖模技術(shù)從上世紀(jì)開(kāi)始被研發(fā)，在經(jīng)歷了主動(dòng)、被動(dòng)和克爾透鏡自鎖模三個(gè)階段之后，百飛秒量級(jí)以下超短激光脈沖的實(shí)現(xiàn)方式得到了巨大的改進(jìn)。鈦藍(lán)寶石飛秒激光振蕩器作為新時(shí)代集成化更高、穩(wěn)定性更好的鎖模激光器逐漸取代了發(fā)展初期的染料激光器，將超短脈沖激光器推向更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。超短脈沖激光振蕩器的重復(fù)頻率一般在幾十兆赫茲量級(jí)，并且其單脈沖能量只能維持在納焦耳量級(jí)。

若采取將振蕩器直接輸出的超短脈沖進(jìn)行光學(xué)放大，那么由于非線性效應(yīng)的影響，超短脈沖將會(huì)在激光晶體內(nèi)部形成光絲甚至損傷，無(wú)法進(jìn)行有效的能量放大的同時(shí)還破壞了晶體元件。

穆魯（Mourou）和他的學(xué)生斯特里克蘭（Strickland）創(chuàng)造性的運(yùn)用啁啾脈沖放大技術(shù)將這一難題攻克：他們將振蕩器輸出的脈沖在時(shí)間維度上進(jìn)行了展寬，其峰值功率密度大幅度降低的同時(shí)消除了大部分非線性效應(yīng)，因此種子脈沖可以從泵浦光中得到足夠的能量進(jìn)行光學(xué)放大，然后再通過(guò)壓縮元件將能量放大后的脈沖壓縮至超短脈沖范圍后輸出。目前，通過(guò)此技術(shù)所獲得的單脈沖能量高達(dá)毫焦耳甚至焦耳量級(jí)，用透鏡或者透鏡組將超短脈沖進(jìn)一步會(huì)聚后，能夠在焦點(diǎn)處產(chǎn)生 10E19 W/cm2的極高峰值功率密度，此項(xiàng)技術(shù)為超快、超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理和應(yīng)用研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。隨著超短脈沖激光及啁啾脈沖放大技術(shù)的誕生，激光加工技術(shù)達(dá)到了一個(gè)全新的高度。

二、超快激光應(yīng)用之醫(yī)療領(lǐng)域

飛秒激光視力矯正，也是大家比較熟悉的激光應(yīng)用之一。在眾多的近視矯正術(shù)中，全飛秒激光手術(shù)已經(jīng)成為主流治療近視眼的方法，與傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光手術(shù)相比，全飛秒激光手術(shù)具有手術(shù)準(zhǔn)確度高、無(wú)明顯疼痛感、術(shù)后視覺(jué)效果好等優(yōu)勢(shì)。

由于心臟支架壁管極薄，通常采用激光加工代替常規(guī)的機(jī)械切割。但是，使用普通激光通過(guò)燒蝕融化來(lái)加工，這樣加工的心臟支架存在毛刺多、切槽寬度不統(tǒng)一、表面燒蝕嚴(yán)重、筋寬不均勻等一系列問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)外企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始采用飛秒激光進(jìn)行支架切割。

三、超快激光應(yīng)用之科研領(lǐng)域

雙光子聚合技術(shù)(2PP)是一種“納米光學(xué)”3D打印方法，類(lèi)似于光固化快速成型技術(shù)，未來(lái)學(xué)家 Christopher Barnatt認(rèn)為這種技術(shù)未來(lái)可能會(huì)成為主流3D打印形式。雙光子聚合技術(shù)的原理是通過(guò)使用“飛秒脈沖激光”選擇性固化感光樹(shù)脂。聽(tīng)起來(lái)似乎像光固化快速成型，區(qū)別在于雙光子聚合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小層厚和X-Y軸分辨率均在100納米和200納米之間。換句話說(shuō)2PP 3D打印技術(shù)比傳統(tǒng)光固化成型技術(shù)精確度高了幾百倍，打印出來(lái)的東西比細(xì)菌還小。

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四、超快激光應(yīng)用之顯示面板切割（貝塞爾光束）

關(guān)于貝塞爾光束的激光應(yīng)用，國(guó)內(nèi)基本比較成熟了。最成功的案例，我想應(yīng)該就是激光切割顯示面板了吧。由于激光加工效率高，穩(wěn)定好，維護(hù)方便，目前激光倒角機(jī)已經(jīng)基本取代了機(jī)械式倒角機(jī)。

這項(xiàng)激光加工技術(shù)的基本原理是通過(guò)超快激光的光束整形，獲得長(zhǎng)焦深的貝塞爾光束，作用于顯示面板的玻璃基板，實(shí)現(xiàn)任意形狀的切割。市場(chǎng)上的各種全面屏手機(jī)，例如劉海屏，水滴屏，美人尖等，這些屏幕外形基本都是采用超快激光切割獲得的。

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貝塞爾激光切割透明脆性材料，嚴(yán)格來(lái)講是包含兩個(gè)步驟，即切割+裂片。因?yàn)榧す馇懈詈?，材料并不能自?dòng)脫落，而是需要借助外力實(shí)現(xiàn)裂片。而裂片的難度隨著切割材料的厚度增加，是明顯增大。對(duì)于切割較厚的材料，要么可以多次切割，來(lái)彌補(bǔ)切割焦深不夠的不足，要么提高激光脈沖能量，設(shè)計(jì)更長(zhǎng)焦深的切割頭。

此外，技術(shù)上也有一些解決方法，例如burst-mode脈沖串模式。再不夠的話，那就得依靠激光技術(shù)的提升，獲得更高的脈沖能量了。

而裂片，就相對(duì)復(fù)雜一些了。不僅僅是因?yàn)椴牧虾穸仍黾雍?，裂片的阻力明顯增大。還包括切割形狀（例如異形）、切割內(nèi)封閉圖形、材料特性等因素，使得裂片的難度和復(fù)雜性明顯增大。

五、超快激光應(yīng)用之FPC及OLED切割

對(duì)OLED而言，其聚合物材料對(duì)熱影響特別敏感，加上現(xiàn)在做的cell的尺寸、間隔都非常小，留下的加工尺寸也特別小，像以前的傳統(tǒng)模切工藝已經(jīng)不適用于當(dāng)今的生產(chǎn)需求了，而且現(xiàn)在還有異型屏、打孔屏的應(yīng)用需求，更是超出了傳統(tǒng)工藝的能力范疇。這樣超快激光的好處就體現(xiàn)出來(lái)了，尤其是皮秒紫外，甚至飛秒激光，它的熱影響區(qū)小，而且更適合曲線加工這種更加靈活的應(yīng)用。

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六、超快激光應(yīng)用之微焊接

對(duì)玻璃等透明固體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，超短脈沖激光在介質(zhì)中傳播會(huì)出現(xiàn)非線性吸收、熔化損傷、等離子體形成、燒蝕、光絲傳播等多種現(xiàn)象。圖示為不同功率密度及時(shí)間尺度下，超短脈沖激光與固體材料相互作用發(fā)生的各種現(xiàn)象。

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正因?yàn)槌堂}沖激光微焊接技術(shù)無(wú)需插入中間層、高效率、高精度、無(wú)宏觀熱效應(yīng)以及微焊接處理后具有比較理想的力學(xué)、光學(xué)性能，其非常適合用于玻璃等透明材料的微焊接。例如，研究人員使用70 fs、250 kHz 脈沖成功為標(biāo)準(zhǔn)光纖和微結(jié)構(gòu)光纖焊接端蓋。

審核編輯：劉清