超短脉冲激光及其应用详解精品PPT课件
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超短脉冲激光及其应用
报告大纲
1）超短脉冲激光及其特点； 2）超短脉冲激光产生及其放大技术简介； 3）超短脉冲激光应用； 4）今后的发展趋势。
一、超短脉冲激光及其特点
什么叫超Βιβλιοθήκη Baidu脉冲激光？
一般指时间宽度小于10-12秒的激光脉冲。
10-12秒~皮秒；10-15秒~飞秒；10-18秒~阿秒
一般超短激光脉冲：~5飞秒~几百飞秒。
激光加工； 激光医学手术； 强场激光与物质相互作用； 激光核聚变； ……
1.01015W 聚焦功率密度:1020~1022W／cm2
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。 1）要让被放大的激光包含足够的光谱宽度； 2）要让这些光谱分量的激光同相位。
1）锁模； 2）色散补偿。
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 金属颗粒尺寸大小和特定形状。
复杂的微结构加工
长10m高7m立体公牛图
微小蜘蛛和恐龙模型
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 (如铼、钛等)和高硬度金刚石。 ➢ 安全切割一些高爆危险物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等， 避免了长脉冲激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，断面处没 有炸药熔化和反应的痕迹。但在研究切割雷管时，没有热效应，能 够安全切割。 ➢利用飞秒激光观测分析物理化学反应本质，有望控制核聚变，以 获得可控的无污染核聚变能源。 ➢将光频与波频联系起来的飞秒光梳技术，为更精确的频率机构一
时间
超短脉冲激光有什么特点呢？
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： 瞬态成像； 超快光开光； 高速光通信……
光谱含量非常丰富。
可以用于激光光谱检测： 脉冲整形； 通信中的光谱编码； ……
光脉冲的峰值功率非常高。
脉冲功率=脉冲能量/脉冲时间宽度
时间
1kHz、40fs、0.71012W的激光系统
在金属薄膜上，钛宝石飞秒激光加工制备出了微纳米级阵列孔，孔径最小达2.5μm， 孔直径在2.5～10μm间可调，最小间距可达10μm，很容易实现10~50μm间距调整。
金属掩模板加工
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100 nm的精度。 对微电子技术（集成电路）的发展将具有重要意义。
光钟的诞生铺平了道路。
光通信领域
利用计算机精密控制飞秒激光加工平台，可以在材料内部的 任意位置制得任意形状的二维、三维或单模光波导。
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，
飞秒激光制作波导在室温环境下进行，过程简单，波导结构 在高温时仍能保持良好的质量和稳定性。
光波导
光栅在光通讯、色散补偿、光纤传感等领域中发挥着不可替 代的作用。
对光栅提出了更高的要求：①不同几何形状排列，如六角阵列光栅；②在 光纤内部刻划，如Bragg(布拉格)光纤光栅。 传统加工方法工序繁杂、制作的光栅稳定性差、寿命短。飞秒激光微加工 克服了这些缺点，永久性改变折射率，改变量高达0.05，实现直接刻划， 顺应了现代光栅微型化和多样化的发展趋势。
光纤光栅
光子晶体器件：新型的微纳光子集成器件，新一代光子器 件。飞秒激光双光子效应，加工精度高，是制备光子晶体 的理想选择。
飞秒激光治疗近视
一、飞秒激光制作的角膜瓣，切削的角膜瓣厚度均匀一致，瓣 的厚薄和直径都可以设定，可控性非常好，损伤的神经和血管 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。 三、飞秒激光误差小，医生可以根据患者的角膜情况进行设置 角膜瓣的厚度，厚薄完全在医生的精确掌控中，因此，术前即 可准确预测剩余角膜基质床的厚度，这对合理地设计手术方案、 保证手术安全更为有利。 四、飞秒激光制作角膜瓣，能够完全避免金属角膜刀制瓣时可 能出现的破碎瓣、游离瓣、纽扣瓣、医源性交叉感染、医源性 像差等并发症，并能将术后发生干眼症的概率降低。
光子晶体
微型光学回路
光子晶体
光存储:使用高分辨率存储无疑会增加记录密度，而采用超短 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； ✓并行数据随机存取； ✓相邻数据位层间串扰小； ✓存储介质成本低; ✓三维立体光存储技术。
✓微通道的制备聚合物力学性能好，具有生物相容性，而 且飞秒激光光束几乎可以毫无衰减地到达透明材料内部的 聚焦点，入射激光唯有在该点位置才能获得较高的功率密 度，发生非线性多光子吸收和电离，实现材料内任意部位 三维微结构的直写。道壁光滑且没有裂纹，没有损坏透明 材料表面，这种微通道将广泛用于生物医学技术如DNA 拉伸、微统计分析系统等。
锁模脉冲序列
时间
532 nm 泵浦光
泵镜
透镜
Ti:S
输出镜
棱镜
凹面反 射镜
高反镜 棱镜
飞秒激光振荡器结构图
啁啾脉冲放大技术
三、超短脉冲激光应用
飞秒激光加工
超短、超强是飞秒激光的特点。飞秒激光脉宽可短至4飞秒 以内，峰值功率高达拍瓦量级(1.0PW=1015W)聚焦功率密度 达到1020~1022W／cm2。飞秒激光可以将其能量全部、快速、 准确地集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、 塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工，具有其它激光 加工无法比拟的优势：
生物医疗领域
飞秒激光具有“冷”加工、能量消耗低、损伤小、准确度高、 三维空间上严格定位的优点，最大限度地满足了生物医疗的 特殊要求：①手术风险低，可对同一患处进行多次手术，治 疗愈合周期短；②相比传统手术刀，医源性感染少；③全激 光手术，无刀胜有刀，精确度高；④无痛，无并发症。
①在牙齿、隐形眼镜上钻孔，边缘干净、无损伤；②非 热性手术切割烧蚀脑组织；③纳米切割人体染色体；④ 制作血管支架，力学性能好，可望解决血管再狭窄问题， 即治疗冠心病；⑤飞秒激光飞行质谱DNA排序；
①耗能低，无热熔区，“冷”加工； ②可加工的材料：从金属到非金属再到生物细胞组织； ③不会出现加工面的熔融、裂缝现象。高精度、高质量、高 分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限； ④非接触，无飞溅无熔渣、无污染、不需特殊的气体环境和 无后续工艺。
飞秒激光加工微结构
飞秒激光加工具有孔边缘清晰、表面干净等特点
报告大纲
1）超短脉冲激光及其特点； 2）超短脉冲激光产生及其放大技术简介； 3）超短脉冲激光应用； 4）今后的发展趋势。
一、超短脉冲激光及其特点
什么叫超Βιβλιοθήκη Baidu脉冲激光？
一般指时间宽度小于10-12秒的激光脉冲。
10-12秒~皮秒；10-15秒~飞秒；10-18秒~阿秒
一般超短激光脉冲：~5飞秒~几百飞秒。
激光加工； 激光医学手术； 强场激光与物质相互作用； 激光核聚变； ……
1.01015W 聚焦功率密度:1020~1022W／cm2
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。 1）要让被放大的激光包含足够的光谱宽度； 2）要让这些光谱分量的激光同相位。
1）锁模； 2）色散补偿。
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 金属颗粒尺寸大小和特定形状。
复杂的微结构加工
长10m高7m立体公牛图
微小蜘蛛和恐龙模型
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 (如铼、钛等)和高硬度金刚石。 ➢ 安全切割一些高爆危险物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等， 避免了长脉冲激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，断面处没 有炸药熔化和反应的痕迹。但在研究切割雷管时，没有热效应，能 够安全切割。 ➢利用飞秒激光观测分析物理化学反应本质，有望控制核聚变，以 获得可控的无污染核聚变能源。 ➢将光频与波频联系起来的飞秒光梳技术，为更精确的频率机构一
时间
超短脉冲激光有什么特点呢？
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： 瞬态成像； 超快光开光； 高速光通信……
光谱含量非常丰富。
可以用于激光光谱检测： 脉冲整形； 通信中的光谱编码； ……
光脉冲的峰值功率非常高。
脉冲功率=脉冲能量/脉冲时间宽度
时间
1kHz、40fs、0.71012W的激光系统
在金属薄膜上，钛宝石飞秒激光加工制备出了微纳米级阵列孔，孔径最小达2.5μm， 孔直径在2.5～10μm间可调，最小间距可达10μm，很容易实现10~50μm间距调整。
金属掩模板加工
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100 nm的精度。 对微电子技术（集成电路）的发展将具有重要意义。
光钟的诞生铺平了道路。
光通信领域
利用计算机精密控制飞秒激光加工平台，可以在材料内部的 任意位置制得任意形状的二维、三维或单模光波导。
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，
飞秒激光制作波导在室温环境下进行，过程简单，波导结构 在高温时仍能保持良好的质量和稳定性。
光波导
光栅在光通讯、色散补偿、光纤传感等领域中发挥着不可替 代的作用。
对光栅提出了更高的要求：①不同几何形状排列，如六角阵列光栅；②在 光纤内部刻划，如Bragg(布拉格)光纤光栅。 传统加工方法工序繁杂、制作的光栅稳定性差、寿命短。飞秒激光微加工 克服了这些缺点，永久性改变折射率，改变量高达0.05，实现直接刻划， 顺应了现代光栅微型化和多样化的发展趋势。
光纤光栅
光子晶体器件：新型的微纳光子集成器件，新一代光子器 件。飞秒激光双光子效应，加工精度高，是制备光子晶体 的理想选择。
飞秒激光治疗近视
一、飞秒激光制作的角膜瓣，切削的角膜瓣厚度均匀一致，瓣 的厚薄和直径都可以设定，可控性非常好，损伤的神经和血管 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。 三、飞秒激光误差小，医生可以根据患者的角膜情况进行设置 角膜瓣的厚度，厚薄完全在医生的精确掌控中，因此，术前即 可准确预测剩余角膜基质床的厚度，这对合理地设计手术方案、 保证手术安全更为有利。 四、飞秒激光制作角膜瓣，能够完全避免金属角膜刀制瓣时可 能出现的破碎瓣、游离瓣、纽扣瓣、医源性交叉感染、医源性 像差等并发症，并能将术后发生干眼症的概率降低。
光子晶体
微型光学回路
光子晶体
光存储:使用高分辨率存储无疑会增加记录密度，而采用超短 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； ✓并行数据随机存取； ✓相邻数据位层间串扰小； ✓存储介质成本低; ✓三维立体光存储技术。
✓微通道的制备聚合物力学性能好，具有生物相容性，而 且飞秒激光光束几乎可以毫无衰减地到达透明材料内部的 聚焦点，入射激光唯有在该点位置才能获得较高的功率密 度，发生非线性多光子吸收和电离，实现材料内任意部位 三维微结构的直写。道壁光滑且没有裂纹，没有损坏透明 材料表面，这种微通道将广泛用于生物医学技术如DNA 拉伸、微统计分析系统等。
锁模脉冲序列
时间
532 nm 泵浦光
泵镜
透镜
Ti:S
输出镜
棱镜
凹面反 射镜
高反镜 棱镜
飞秒激光振荡器结构图
啁啾脉冲放大技术
三、超短脉冲激光应用
飞秒激光加工
超短、超强是飞秒激光的特点。飞秒激光脉宽可短至4飞秒 以内，峰值功率高达拍瓦量级(1.0PW=1015W)聚焦功率密度 达到1020~1022W／cm2。飞秒激光可以将其能量全部、快速、 准确地集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、 塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工，具有其它激光 加工无法比拟的优势：
生物医疗领域
飞秒激光具有“冷”加工、能量消耗低、损伤小、准确度高、 三维空间上严格定位的优点，最大限度地满足了生物医疗的 特殊要求：①手术风险低，可对同一患处进行多次手术，治 疗愈合周期短；②相比传统手术刀，医源性感染少；③全激 光手术，无刀胜有刀，精确度高；④无痛，无并发症。
①在牙齿、隐形眼镜上钻孔，边缘干净、无损伤；②非 热性手术切割烧蚀脑组织；③纳米切割人体染色体；④ 制作血管支架，力学性能好，可望解决血管再狭窄问题， 即治疗冠心病；⑤飞秒激光飞行质谱DNA排序；
①耗能低，无热熔区，“冷”加工； ②可加工的材料：从金属到非金属再到生物细胞组织； ③不会出现加工面的熔融、裂缝现象。高精度、高质量、高 分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限； ④非接触，无飞溅无熔渣、无污染、不需特殊的气体环境和 无后续工艺。
飞秒激光加工微结构
飞秒激光加工具有孔边缘清晰、表面干净等特点