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超短脉冲激光技术发展起来的一种强有力的新工具

在过去20年里,飞秒激光是激光技术发展起来的一种强有力的新工具。这样短的飞秒脉冲,已经在4fs以内。1飞秒(fs),即10-15s,仅为1,1。若以10fs为几何平均数来测量宇宙,则其寿命仅为1分钟;飞秒脉冲如此强大,利用多阶段唧唧脉冲放大(CPA)技术获得的最大脉冲峰值功率达到100太瓦(TW)。这就是1012W,甚至是1015W的拍瓦(PW,也就是1015W),它的聚焦强度比把太阳辐射到地球上的所有光聚焦到针尖大小之后更高。飞秒激光绝对是人类的奇迹。

飞秒激光

在过去的20年里,从染料激光到克尔镜锁模的钛宝石飞秒激光,以及二极管泵浦的全固态飞秒激光和飞秒光纤激光,使脉冲宽度和能量记录不断刷新,但最大的进步是获得超飞秒脉冲变得更加容易。在过去10年中,超高速(超高速)技术已经取得了显著的进步。目前,钛宝石激光器以及光纤激光器都使得这类(飞秒激光器)激光器简单、稳定。如今,人们已经能买到这种激光器,但10年前,你必须自己建造例如,所有高功率飞秒脉冲的所有部件都整合在一个盒子里。采用光纤飞秒激光作为种子源,不需调节设计,构成了世界上独一无二的、超稳定、超紧凑的CPA2000系列钛宝石唧唧脉冲放大系统。本实用系统不需要专业的飞秒飞行操作,可广泛用于科学研究和工业生产。

从飞秒激光超短超强特性出发,应用研究领域通常可以划分为超快瞬变现象和超速现象研究。并随激光脉宽缩短、脉冲能量增大而加深和发展。

用飞秒脉冲激光作为光源,形成多种光谱时间分辨率技术和抽运检测技术是最直接的应用。其发展直接推动了物理学、化学、生物学、材料、信息等学科进入微观超快过程领域,创造了飞秒化学、量子控制化学、半导体相关光谱学等新领域。飞秒脉冲激光激光和纳米显微技术,可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)。生物领域中,人们利用飞秒激光技术提供的差分吸收光谱和泵/探测技术,来研究光合反应中心的传递与电荷分离过程。超短脉冲激光束还用于信息的传递、加工和储存。

激光射线

1988年,第一台用脉冲放大技术完成了第一台台式太瓦激光器的研制工作,从1988年开始,标志着实验室内对超超强光进行了飞秒超强物理研究。目前,超短激光场的作用已与原子中电子的束束场相等或远远超过,微扰论已无法成立,因此需要进一步发展新的理论处理。利用1020W/cm2的光强,可以研究模拟天体的物理现象。热电子产生的超强激光(200keW/cm2热电子(200keV)。

另外一种重要的应用领域是飞秒激光。一般情况下,激光脉冲的持续时间超过10皮秒(相当于热传导时间)是一种长脉冲,它是加工材料所用。热工效应会改变周围材料,从而影响加工精度。脉宽仅千万亿分之一秒,飞秒激光脉冲具有特殊的熔化范围小或无加工孔径等特殊的材料加工性能;金属,可以对各种材料进行微机加工、雕刻,如半导体、透明材料甚至生物组织;加工面积可以小于对焦,绕射极限等等。现在,一些汽车制造商和重型设备制造厂都在研究用飞秒激光来制造更好的发动机喷嘴。用超短脉冲激光可以在金属表面形成几百纳米宽的微孔。IBM的Hitt在最近在奥兰多召开的美国光学学会会议上说,IBM已经将一个飞秒激光系统应用于大型集成电路芯片的光刻过程,几乎无热传输的飞秒激光切割

可以肯定地说,随着超短脉冲激光技术的进一步发展,以及进一步提高高可靠性的飞秒激光技术,必将在更多领域得到更广泛的应用。



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