超短脉冲激光及其应用方案

超短脉冲激光及其应用超短脉冲激光及其应用报告大纲1 1）超短脉冲激光及其特点；）超短脉冲激光及其特点；2 2）超短脉冲激光）超短脉冲激光产生及其放大技生及其放大技术简介；介；3 3）超短脉冲激光）超短脉冲激光应用；用；4 4）今后的）今后的发展展趋势。一、超短脉冲激光及其特点什么叫超短脉冲激光？什么叫超短脉冲激光？一般指时间宽度小于一般指时间宽度小于10-12秒的激光脉冲。秒的激光脉冲。10-12秒秒皮秒；皮秒；10-15秒秒飞秒；飞秒；10-18秒秒阿秒阿秒时间时间一般超短激光脉冲：一般超短激光脉冲：5飞秒飞秒几百飞秒。几百飞秒。超短脉冲激光有什么特点呢？超短脉冲激光有什么特点呢？u 时间宽度非常短。时间宽度非常短。可以用于处理持续时间非常的物理化学过程：可以用于处理持续时间非常的物理化学过程：瞬态成像；瞬态成像；超快光开光；超快光开光；高速光通信高速光通信u 光谱含量非常丰富。光谱含量非常丰富。可以用于激光光谱检测：可以用于激光光谱检测：脉冲整形；脉冲整形；通信中的光谱编码；通信中的光谱编码；u 光脉冲的峰值功率非常高。光脉冲的峰值功率非常高。脉冲功率脉冲功率=脉冲能量脉冲能量/脉冲时间宽度脉冲时间宽度时间时间1kHz、40fs、0.7 1012W的激光系的激光系统统激光加工；激光加工；激光医学手术；激光医学手术；强场激光与物质相互作用；强场激光与物质相互作用；激光核聚变；激光核聚变；1.0 1015W聚焦功率密度聚焦功率密度:10201022Wcm2 1 1）要）要让被放大的激光包含足被放大的激光包含足够的光的光谱宽度；度；2 2）要）要让这些光些光谱分量的激光同相位。分量的激光同相位。二、超短脉冲激光及其放大技术超短脉冲激光产生必须有足够的光谱作为支撑。超短脉冲激光产生必须有足够的光谱作为支撑。1 1）锁模；模；2 2）色散）色散补偿。时间时间锁模脉冲序列锁模脉冲序列棱镜棱镜高反镜高反镜Ti:S凹面反凹面反射镜射镜透镜透镜532 nm 泵浦光泵浦光棱镜棱镜泵镜泵镜输出镜输出镜飞秒激光振荡器结构图飞秒激光振荡器结构图啁啾脉冲放大技术啁啾脉冲放大技术三、超短脉冲激光应用超超短短、超超强强是是飞飞秒秒激激光光的的特特点点。飞飞秒秒激激光光脉脉宽宽可可短短至至4飞飞秒秒以以内内，峰峰值值功功率率高高达达拍拍瓦瓦量量级级(1.0PW=1015W)聚聚焦焦功功率率密密度度达达到到10201022Wcm2。飞飞秒秒激激光光可可以以将将其其能能量量全全部部、快快速速、准准确确地地集集中中在在限限定定的的作作用用区区域域，实实现现对对玻玻璃璃、陶陶瓷瓷、半半导导体体、塑塑料料、聚聚合合物物、树树脂脂等等材材料料的的微微纳纳尺尺寸寸加加工工，具具有有其其它它激激光光加工无法比拟的优势：加工无法比拟的优势：飞秒激光加工飞秒激光加工耗能低，无热熔区，耗能低，无热熔区，“冷冷”加工；加工；可加工的材料：从金属到非金属再到生物细胞组织；可加工的材料：从金属到非金属再到生物细胞组织；不不会会出出现现加加工工面面的的熔熔融融、裂裂缝缝现现象象。高高精精度度、高高质质量量、高高分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限；分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限；非非接接触触，无无飞飞溅溅无无熔熔渣渣、无无污污染染、不不需需特特殊殊的的气气体体环环境境和和无后续工艺无后续工艺。飞秒激光加工微结构飞秒激光加工微结构 在在金金属属薄薄膜膜上上，钛钛宝宝石石飞飞秒秒激激光光加加工工制制备备出出了了微微纳纳米米级级阵阵列列孔孔，孔孔径径最最小小达达2.5m，孔直径在，孔直径在2.510m间可调，最小间距可达间可调，最小间距可达10m，很容易实现，很容易实现1050m间距调整。间距调整。飞秒激光加工具有孔边缘清晰、表面干净等特点飞秒激光加工具有孔边缘清晰、表面干净等特点金属掩模板加工金属掩模板加工金属纳米颗粒加工金属纳米颗粒加工 金属纳米颗粒加工：与其它激光脉冲相比，飞秒激光改变的金属纳米颗粒加工：与其它激光脉冲相比，飞秒激光改变的金属颗粒尺寸大小和特定形状。金属颗粒尺寸大小和特定形状。对微电子技术（集成电路）的发展将具有重要意义。对微电子技术（集成电路）的发展将具有重要意义。利用飞秒激光超衍射极限加工有效地修补了金属镉掩模板的利用飞秒激光超衍射极限加工有效地修补了金属镉掩模板的缺陷，修复的线宽达到小于缺陷，修复的线宽达到小于100 nm的精度。的精度。长长10 m高高7 m立立体体公公牛牛图图微小蜘蛛和恐龙模型微小蜘蛛和恐龙模型复杂的微结构加工复杂的微结构加工 飞秒激光微加工技术在一些特殊领域具有广阔的应用：飞秒激光微加工技术在一些特殊领域具有广阔的应用：钻孔、切割高热导性、高熔点金属钻孔、切割高热导性、高熔点金属(如铼、钛等如铼、钛等)和高硬度金刚石。和高硬度金刚石。安安全全切切割割一一些些高高爆爆危危险险物物品品如如：LX-16、TNT、PETN、PBx等等，避避免免了了长长脉脉冲冲激激光光线线性性吸吸收收、能能量量转转移移和和扩扩散散等等的的影影响响，断断面面处处没没有有炸炸药药熔熔化化和和反反应应的的痕痕迹迹。但但在在研研究究切切割割雷雷管管时时，没没有有热热效效应应，能能够安全切割。够安全切割。利利用用飞飞秒秒激激光光观观测测分分析析物物理理化化学学反反应应本本质质，有有望望控控制制核核聚聚变变，以以获得可控的无污染核聚变能源。获得可控的无污染核聚变能源。将将光光频频与与波波频频联联系系起起来来的的飞飞秒秒光光梳梳技技术术，为为更更精精确确的的频频率率机机构构一一光钟的诞生铺平了道路。光钟的诞生铺平了道路。光通信领域光通信领域 与离子注入法和热扩散型离子交换法等目前常用的制作方法相比，与离子注入法和热扩散型离子交换法等目前常用的制作方法相比，飞飞秒秒激激光光制制作作波波导导在在室室温温环环境境下下进进行行，过过程程简简单单，波波导导结结构构在高温时仍能保持良好的质量和稳定性。在高温时仍能保持良好的质量和稳定性。利利用用计计算算机机精精密密控控制制飞飞秒秒激激光光加加工工平平台台，可可以以在在材材料料内内部部的的任意位置制得任意形状的二维、三维或单模光波导。任意位置制得任意形状的二维、三维或单模光波导。光波导光波导光光栅栅在在光光通通讯讯、色色散散补补偿偿、光光纤纤传传感感等等领领域域中中发发挥挥着着不不可可替替代代的作用。的作用。对对光光栅栅提提出出了了更更高高的的要要求求：不不同同几几何何形形状状排排列列，如如六六角角阵阵列列光光栅栅；在在光纤内部刻划，如光纤内部刻划，如Bragg(布拉格布拉格)光纤光栅。光纤光栅。传传统统加加工工方方法法工工序序繁繁杂杂、制制作作的的光光栅栅稳稳定定性性差差、寿寿命命短短。飞飞秒秒激激光光微微加加工工克克服服了了这这些些缺缺点点，永永久久性性改改变变折折射射率率，改改变变量量高高达达0.05，实实现现直直接接刻刻划划，顺应了现代光栅微型化和多样化的发展趋势。顺应了现代光栅微型化和多样化的发展趋势。光纤光栅光纤光栅光光子子晶晶体体器器件件：新新型型的的微微纳纳光光子子集集成成器器件件，新新一一代代光光子子器器件件。飞飞秒秒激激光光双双光光子子效效应应，加加工工精精度度高高，是是制制备备光光子子晶晶体体的的理理想想选择。选择。光子晶体光子晶体微型光学回路微型光学回路光子晶体光子晶体光光存存储储:使使用用高高分分辨辨率率存存储储无无疑疑会会增增加加记记录录密密度度，而而采采用用超超短短激光进行亚微米级操作会得到更好的效果。其特点：激光进行亚微米级操作会得到更好的效果。其特点：快速的数据读、写、擦写、重写；快速的数据读、写、擦写、重写；并行数据随机存取；并行数据随机存取；相邻数据位层间串扰小；相邻数据位层间串扰小；存储介质成本低存储介质成本低;三维立体光存储技术。三维立体光存储技术。微微通通道道的的制制备备聚聚合合物物力力学学性性能能好好，具具有有生生物物相相容容性性，而而且且飞飞秒秒激激光光光光束束几几乎乎可可以以毫毫无无衰衰减减地地到到达达透透明明材材料料内内部部的的聚聚焦焦点点，入入射射激激光光唯唯有有在在该该点点位位置置才才能能获获得得较较高高的的功功率率密密度度，发发生生非非线线性性多多光光子子吸吸收收和和电电离离，实实现现材材料料内内任任意意部部位位三三维维微微结结构构的的直直写写。道道壁壁光光滑滑且且没没有有裂裂纹纹，没没有有损损坏坏透透明明材材料料表表面面，这这种种微微通通道道将将广广泛泛用用于于生生物物医医学学技技术术如如DNA拉拉伸、微统计分析系统等。伸、微统计分析系统等。生物医疗领域生物医疗领域 飞飞秒秒激激光光具具有有“冷冷”加加工工、能能量量消消耗耗低低、损损伤伤小小、准准确确度度高高、三三维维空空间间上上严严格格定定位位的的优优点点，最最大大限限度度地地满满足足了了生生物物医医疗疗的的特特殊殊要要求求：手手术术风风险险低低，可可对对同同一一患患处处进进行行多多次次手手术术，治治疗疗愈愈合合周周期期短短；相相比比传传统统手手术术刀刀，医医源源性性感感染染少少；全全激激光手术，无刀胜有刀，精确度高；光手术，无刀胜有刀，精确度高；无痛，无并发症。无痛，无并发症。在在牙牙齿齿、隐隐形形眼眼镜镜上上钻钻孔孔，边边缘缘干干净净、无无损损伤伤；非非热热性性手手术术切切割割烧烧蚀蚀脑脑组组织织；纳纳米米切切割割人人体体染染色色体体；制制作作血血管管支支架架，力力学学性性能能好好，可可望望解解决决血血管管再再狭狭窄窄问问题题，即治疗冠心病；即治疗冠心病；飞秒激光飞行质谱飞秒激光飞行质谱DNA排序；排序；飞秒激光治疗近视飞秒激光治疗近视一一、飞飞秒秒激激光光制制作作的的角角膜膜瓣瓣，切切削削的的角角膜膜瓣瓣厚厚度度均均匀匀一一致致，瓣瓣的的厚厚薄薄和和直直径径都都可可以以设设定定，可可控控性性非非常常好好，损损伤伤的的神神经经和和血血管管较少，大大减少了术后干眼症的发生率。较少，大大减少了术后干眼症的发生率。二、全激光手术，完全避免了交叉感染的可能。二、全激光手术，完全避免了交叉感染的可能。三三、飞飞秒秒激激光光误误差差小小，医医生生可可以以根根据据患患者者的的角角膜膜情情况况进进行行设设置置角角膜膜瓣瓣的的厚厚度度，厚厚薄薄完完全全在在医医生生的的精精确确掌掌控控中中，因因此此，术术前前即即可可准准确确预预测测剩剩余余角角膜膜基基质质床床的的厚厚度度，这这对对合合理理地地设设计计手手术术方方案案、保证手术安全更为有利。保证手术安全更为有利。四四、飞飞秒秒激激光光制制作作角角膜膜瓣瓣，能能够够完完全全避避免免金金属属角角膜膜刀刀制制瓣瓣时时可可能能出出现现的的破破碎碎瓣瓣、游游离离瓣瓣、纽纽扣扣瓣瓣、医医源源性性交交叉叉感感染染、医医源源性性像差等并发症，并能将术后发生干眼症的概率降低。像差等并发症，并能将术后发生干眼症的概率降低。LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼使用板层刀制作角膜瓣LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼角膜瓣制作完成LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼激光进行角膜切削LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼角膜瓣复位LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼角膜瓣复位LASIKLASIK治疗近视眼治疗近视眼治疗后的角膜形状飞秒激光成像飞秒激光成像时间间隔时间间隔15ps，时间，时间分辨分辨300fs.快门速度快门速度440ps检检测测化化学学反反应应:通通过过化化学学反反应应过过程程中中原原子子或或分分子子的的光光谱谱特特性性变化诊断其过程。变化诊断其过程。High-harmonic interferometry can be used to measure the amplitude and phase of light emitted from molecules.This method has now been used to reveal the ultrafast dynamics of electrons and nuclear interactions during a chemical reaction.超宽带特性可用于高比特率的光通信超宽带特性可用于高比特率的光通信。需解决一系列的关键技术问题：(1)目前没有形成一套完整的理论来解释：在超快、超短、超强的极端条件下，激光与物质相互作用的物理本质；(2)加大力度投资生产飞秒激光器、微加工系统，将其体积进一步小型化；改善其微加工的工作环境，延长其寿命等；(3)针对飞秒激光微加工的特性以及被加工材料的属性，开发模型设计的软件，对加工过程进行模拟和仿真，实现最佳参数加工；(4)飞秒激光微纳加工应用现阶段都只局限于实验室阶段，尽快探索其产业化途径，解决一些在能源、材料、环境、航天以及国防方面国家急需解决的问题；(5)降低加工成本，实现高效率生产，以满足市场需求。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。