当前位置:

首页 » 行业新闻 » 热点资讯 » 正文

观古今于须臾,抚四海于一瞬——飞秒激光开启科技新时代

来源:光电汇OESHOW

  发布:星之球科技

关键词:飞秒激光 激光技术

2018-01-25

 万年孕一瞬
 
人类诞生以来,从古至今一直与时间这一最基本概念联系在一起。远古时期,人类就像目前的动物一样,随着一年四季气候的变化,或迁徙,或入洞,其时间概念是年。
 
人类学会耕种进入农业时代后,日出而作,日落而息,对时间的认识已经到了天的概念。人类开始制造测量时间的仪器已是几千年前的事情,日晷、沙漏和时钟的发明已使人类的时间概念精确到时、分。  
 
16世纪开始后,以哥白尼为首掀起的天体运动研究热潮和18世纪开始的第一次技术革命,促使人类对其周围宏观世界的运动进行科学地定量描述,涉及到的一个最基本物理量就是时间,最具代表性的例子就是牛顿第二定律所给出的那个简洁、美妙、几乎无处不用的公式:F=Ma,其中加速度a是以秒为单位的速度增量,而速度又是以秒为单位的物体运动距离,它双重地含有了时间的概念,宏观物体运动速度的计时精度到了秒的量级。对于宏观、低速运动的描述,秒级的时间精度已经可以了。
 
 
以玻尔和爱因斯坦为代表开创的原子物理、光量子物理的科学描述,使人类进入到原子、分子内部的微观世界,描述这些微观世界快速运动的时间精度需要毫秒(10^-3 秒)、微秒(10^-6 秒)、纳秒(10^-9 秒)、皮秒(10^-12 秒)和飞秒(10^-15秒),与此相应发展起来的电子技术也先后可以产生毫秒、微秒、纳秒和皮秒的电脉冲,用以研究物理、化学中电子运动的快速过程。
 
单靠电子技术无法产生飞秒脉冲。20世纪60年代诞生的激光技术为产生皮秒和飞秒光脉冲提供了一个新的技术手段。利用激光的锁模技术,先在20世纪70年代实现了皮秒脉冲激光的运转,继而又于1981年实现了飞秒脉冲激光的运转。至此,人类开始进入了一个崭新的飞秒时代。
 
飞秒开新篇
 
飞秒激光技术的发展可以分为几个阶段。
 
1981-1990年,以染料激光为代表的第一代飞秒激光技术,它的诞生为物理、化学等基础学科领域中原子、分子的快速运动提供了一个崭新的探测手段,推进了超快现象这一新的研究领域的发展,从而开辟了飞秒激光技术超快新时代;
 
1991-2005年,以掺钛蓝宝石激光为代表的第二代飞秒激光技术,它用固体增益介质取代了液体染料增益介质,使飞秒激光运转的稳定性大大提高的同时,也提高了峰值功率,使飞秒激光技术不仅具有超快的时间特性,而且具有超强的功率特性,使飞秒激光不仅在超快现象研究领域得到更多的应用,而且成为诸如激光受控核聚变快速点火、新一代加速器、精密微纳加工等大科学工程和前沿技术的重要支撑技术,从而开创了飞秒激光技术应用的新时代;这期间以Yb掺杂的光纤及碟片飞秒激光器也逐渐成熟,并走向工业应用。
 
2005年,以光子晶体光纤激光为代表的第三代飞秒激光技术,它将微纳结构引入增益介质,代替原来的块状固体或普通光纤,使产生飞秒激光的主要物理机制变得可控、可调、可设计,且集多种功能于一身,使其具有高效率、高功率(平均)、高光束质量、结构简单、运转稳定,从而使飞秒激光技术走向一种系统集成化和应用普及化的通用技术的发展道路。
 
魅力无穷尽
 
飞秒激光的3个特点,吸引着众多科研工作者的争相研究,魅力无限。
 
一是脉冲宽度极短
 
飞秒激光脉冲的持续时间为10^-15 s,即飞秒(fs),它相当于电子绕原子核半周的时间,以光速为30万公里/秒计算,在1 fs的时间内,光仅传播了0.3 µm,可见飞秒这一单位的时间之微。这样极端微小的时间在我们所看到的宏观世界里是无法找到它的踪迹的。
 
但是,在由基本粒子所组成的微观世界里,其运动状态的改变常常发生在飞秒这样极其短暂的时刻,如分子的能量转移、化学键的破裂和形成、原子的横向驰豫和纵向驰豫,半导体中载流子的激发和复合等等。
 
正是由于这个缘故,在飞秒激光诞生后的相当长的一段时间内,飞秒激光主要是用来研究物理、化学领域微观过程超快现象的一个先进技术,从而在物理、化学和生物领域完成了大量的超快过程的研究,发现了大量的新的超快现象,解释了大量原子、分子微观运动规律,成为多个基础学科研究领域中相当引人瞩目并获得累累成果的研究方向。
 
二是脉冲峰值功率极高
 
飞秒激光的峰值功率是指脉冲持续时间内所具有的瞬时功率,即E/τ,E 为飞秒脉冲包络内所携带的能量,τ为飞秒脉冲包络的极大值一半处所对应的时间宽度。由于τ为极短的10^-15 s量级,即使其携带的能量为毫焦耳量级(10^-3 J),其峰值功率也高达10^12 W(TW)以上,它相当于全世界发电总功率之和。目前的飞秒激光放大系统可以输出高达10^15 W(PW)峰值功率的光脉冲。
 
如此超强峰值功率的飞秒激光脉冲,聚焦之后其焦点区域内所具有的电场强度已经远远超过原子核对其价电子的库伦力。在其作用下,任何固态、液态和气态的物质都会在瞬间变成等离子体。
 
由此发展起来的超快超强激光物理正在形成强场物理领域一个新的分支,并被应用到激光受控核聚变、同步辐射加速器等大科学工程中。正在兴起的飞秒激光微纳精细加工技术也正是利用了飞秒激光超高峰值功率这一特点,在晶格热传导过程还来不及发生时,飞秒激光已经在微纳尺度内完成去除物质或使其改性的物理过程。
 
三是覆盖频谱范围极广
 
当前由飞秒激光器直接输出的波长主要集中在0.8~1.5 µm的近红外波段,但是由它激发而产生的飞秒激光脉冲却覆盖了从X射线到太赫兹波这一广阔领域,利用超强飞秒激光和电子束相互作用的汤姆逊散射效应,可以产生相干的硬X射线,波长达0.4埃。
 
飞秒强激光与惰性气体原子的相互作用而引发的高次谐波,可获得软X波段的相干辐射,波长可覆盖数十纳米至几纳米。飞秒激光在晶体中的二倍频、四倍频、六倍频效应可将近红外的飞秒激光变换至可见、紫外、极紫外和真空紫外,直至150 nm,与高次谐波的软 X波段相接。利用飞秒激光在晶体中的参量振荡和参量放大过程,可以在近红外,甚至中红外波段实现宽频谱范围的调谐。
 
除此之外,利用飞秒激光在非线性介质中的传输,可以发生自相位调制,四波混频,孤子自频移和超连续等多种非线性效应,这些效应都可以使飞秒激光器输出的光脉冲从单一波长变换到紫外至红外波段。特别值得提出的是,太赫兹波这一在大分子领域极具应用价值的亚毫米波长的辐射,在人类征服了X射线-紫外-可见-红外-无线电波的漫长时间之后,终于在20世纪80年代,借助飞秒激光技术,实现了10 μm ~ 3 mm波段的相干辐射。
 
潜龙翔九天
 
“工欲善其事,必先利其器”飞秒激光出现以来,科学家们欢欣鼓舞,他们拥有了最精准的“鲁班尺”、最锋利的“巨阙剑”。利用这把精尺、这把利剑,他们穷极物理、发现未知。几个与飞秒激光研究成果相关的诺贝尔物理奖、化学奖是对飞秒激光技术对科学技术贡献最好的诠释。
 
经过近三十多年的发展,飞秒激光除了作为科学研究的利器,还在产业应用领域发现了广阔的天空。飞秒激光的非热、冷加工属性开始为人们所钟爱,适用于一些其他加工方法无法实现的高精度、复杂形状元器件的加工。对于超硬材料、易碎材料、高熔点材料、易爆材料的加工,更具有其他加工方法所无法企及的优势。目前,飞秒激光微加工已经在消费电子、生物医疗、航空航天、信息技术、新能源、新材料等产业得到广泛应用并将继续开疆拓土。
 
目前国内做飞秒激光技术相关产品的公司主要有安扬激光、铟尼镭斯、武汉华日激光、国神光电科技、物科光电等,国外公司则有Femtolasers(奥地利)、Toptica(美国)等。更多品牌也可在光电汇平台(www.oeshow.cn)查阅。
  
 总之一句话,观古今于须臾,抚四海于一瞬,飞秒激光技术时代已然开启。