飛秒激光是指利用鎖模技術(shù)來獲得的飛秒量級短脈沖的激光器" href="/zh-cn/%E6%BF%80%E5%85%89%E5%99%A8" style="color: rgb(0, 0, 0); text-decoration: none;">激光器。所謂飛秒，也叫做毫微微秒，即1飛秒只有10的負15次方秒。飛秒激光不是單色光，而是中心波長在800nm左右的一段波長連續(xù)變化光的組合，利用這段范圍內(nèi)連續(xù)波長光的空間相干來獲得時間上極大的壓縮，從而實現(xiàn)飛秒量級的脈沖輸出。所采用的激光晶體為激光譜線很寬的鈦寶石晶體。
高功率飛秒激光系統(tǒng)由四部分組成：振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。通過鎖模技術(shù)將激光能量壓縮到如此短的瞬間，再配合啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)，可以得到*瞬間功率的輸出激光，其激光的電場強度可以超過原子內(nèi)原子核和電子之間的電場強度，可用于產(chǎn)生一些的物理條件，如天體中物理現(xiàn)象的模擬。
飛秒激光是過去20年間由激光科學發(fā)展起來的有力的新工具之一。飛秒脈沖是如此的短，目前已經(jīng)達到了4fs以內(nèi)（可見光-近紅外波段）。1飛秒（fs） ,即10-15s ,僅僅是1千萬億分之一秒，如果將10fs作為幾何平均來衡量宇宙，其壽命僅不過1min而已；飛秒脈沖又是如此之強，采用多級啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)獲得的脈沖峰值功率可達到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量級，其可聚焦強度比將太陽輻射到地球上的全部光聚焦成針尖般大小后的能量密度還要高。飛秒激光*是人類創(chuàng)造的奇跡。
近二十年來，從染料激光器到克爾透鏡鎖模的鈦寶石飛秒激光器，以及后來的二極管泵浦的全固態(tài)飛秒激光器和飛秒光纖激光器，雖然說飛秒激光的脈沖寬度和能量的記錄在不斷刷新，但進展莫過于獲得超飛秒脈沖變得輕而易舉了。桑迪亞國家實驗室的R.Trebino說:"過去10年中, （超快）技術(shù)已有顯著改善, 鈦藍寶石激光器和現(xiàn)在的光纖激光器正在使這種(飛秒) 激光器的運轉(zhuǎn)變得簡潔和穩(wěn)定。這種激光器現(xiàn)在人們已可買到, 而10年前, 你卻必須自己建立。"比如，的飛秒激光系統(tǒng)生產(chǎn)商美國Clark-MXR公司將產(chǎn)生高功率飛秒脈沖的所有部件全部集成到一個箱子里，采用摻鉺光纖飛秒激光器作為種子源，加上無需調(diào)整（NO Tweak）的特殊設(shè)計，形成了世界上無二，超穩(wěn)定、超緊湊的CPA2000系列鈦寶石啁啾脈沖放大系統(tǒng)。這種商品化的系統(tǒng)不需要飛秒專家來操作，*可以廣泛應用于科研和工業(yè)上的許多領(lǐng)域里。
根據(jù)飛秒激光超短和的特點，大體上可以將應用研究領(lǐng)域分成超快瞬態(tài)現(xiàn)象的研究和現(xiàn)象的研究。它們都是隨著激光脈沖寬度的縮短和脈沖能量的增加而不斷的得以深入和發(fā)展。
飛秒脈沖激光的最直接應用是人們利用它作為光源,形成多種時間分辨光譜技術(shù)和泵浦/探測技術(shù)。它的發(fā)展直接帶動物理、化學、生物、材料與信息科學的研究進入微觀超快過程領(lǐng)域, 并開創(chuàng)了一些全新的研究領(lǐng)域, 如飛秒化學、量子控制化學、半導體相干光譜等。飛秒脈沖激光與納米顯微術(shù)的結(jié)合, 使人們可以研究半導體的納米結(jié)構(gòu)(量子線、量子點和納米晶體)中的載流子動力學。在生物學方面,人們正在利用飛秒激光技術(shù)所提供的差異吸收光譜、泵浦/探測技術(shù), 研究光合作用反應中心的傳能、轉(zhuǎn)能與電荷分離過程。超短脈沖激光還被應用于信息的傳輸、處理與存貯方面。
臺利用啁啾脈沖放大技術(shù)實現(xiàn)的臺式太瓦激光的成功運轉(zhuǎn)始于1988年，這一成果標志著在實驗室內(nèi)飛秒及超高強光物理研究的開始。在這一領(lǐng)域研究中，由于超短激光場的作用已相當于或者大大超過原子中電子所受到的束縛場，微擾論已不能成立，新的理論處理有待于發(fā)展。在1020W/cm2的光強下，可以實現(xiàn)模擬天體物理現(xiàn)象的研究。1019-1021W/cm2的超高強激光產(chǎn)生的熱電子（200keV < E < 1MeV）可以加熱大量離子而引發(fā)核聚變。這種慣性約束核聚變（ICF）快點火概念的最終實現(xiàn)將為國家安全和能源利用做出不可估量的貢獻。
飛秒激光的另一個重要的應用就是微精細加工。通常，按激光脈沖標準來說，持續(xù)時間大于10皮秒（相當于熱傳導時間）的激光脈沖屬于長脈沖，用它來加工材料，由于熱效應使周圍材料發(fā)生變化，從而影響加工精度。而脈沖寬度只有幾千萬億分之一秒的飛秒激光脈沖則擁有*的材料加工特性，如加工孔徑的熔融區(qū)很小或者沒有；可以實現(xiàn)多種材料，如金屬、半導體、透明材料內(nèi)部甚至生物組織等的微機械加工、雕刻；加工區(qū)域可以小于聚焦尺寸，突破衍射極限等等。一些汽車制造廠和重型設(shè)備加工廠目前正研究用飛秒激光加工更好的發(fā)動機噴油嘴。使用超短脈沖激光，可在金屬上打出幾百納米寬的小孔。在最近于奧蘭多舉行的美國光學學會會議上，IBM公司的海特說，IBM已將一種飛秒激光系統(tǒng)用于大規(guī)模集成電路芯片的光刻工藝中。用飛秒激光進行切割，幾乎沒有熱傳遞。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)，這種激光束能安全地切割。該實驗室的洛斯克說："飛秒激光有希望作為一種冷處理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮彈及其他。" 飛秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改變其重要的生物化學特性。生物醫(yī)學專家已將它作為超精密刀，用于視力矯正手術(shù)，既能減少組織損傷又不會留下手術(shù)后遺癥，甚至可對單個細胞動精密手術(shù)或者用于基因療法。目前人們還在研究如何將飛秒激光用于牙科治療。有科學家發(fā)現(xiàn)，利用超短脈沖激光能去掉牙的一小塊，而不影響周圍的物質(zhì)。美國Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工工作臺正是代表了這個領(lǐng)域里的商用飛秒激光微加工系統(tǒng)，它包括了用超短脈沖激光進行微加工所需的一切設(shè)備與配件，可用于微加工任何材料，生成亞微米精細結(jié)構(gòu)，而不會對周邊材料造成損害，不會造成材料飛濺，加工結(jié)果極其精確并具有高度可重復性。
我們相信，隨著超短脈沖激光技術(shù)的進一步發(fā)展以及具有高可靠性的商用飛秒激光器的進一步*，飛秒激光一定會在更多領(lǐng)域獲得更為廣泛的應用。
