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4、飞秒激光特点
1)、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率 可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多 出上百倍;
2)、物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现 象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都 会变成等离子体;
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3)、飞秒激光具有 精确的靶向聚焦定 位特点，能够聚焦 到比头发的直径还 要小的多的超细微 空间区域;
飞秒激光加工技术
机研133张国召
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主要内容
1、什么是飞秒激光 2、如何产生飞秒激光 3、飞秒激光加工机理 4、飞秒加工的应用
2
一、什么是飞秒激光
1、激光 组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分
布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光 子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上， 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，这就 叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
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同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率,产生的光 电场强度比原子内部库仑场高数倍,材料内部原有的 束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀, 最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形 式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.
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2、加工特点 1）可加工材料广泛 当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时,飞秒激光可
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其三是以多量子阱材料为代表的飞秒半导体激光器。 超短脉冲半导体激光器的研究在很长时间里始终没有跨越皮秒
级，直到将多量子阱材料引入到短脉冲半导体激光器中，才使 超短脉冲半导体激光器成为飞秒激光家庭中的重要成员。飞秒 半导体激光器主要应用于高比特多路通信，超长距孤子光纤通 信等领域。
其四是以掺杂稀土元素的SiO2为增益介质的飞秒光纤激光器。 其主要特点是结构紧凑，小巧，高效率，低损耗，负色散和全 光学，其波长适用于光通信，特别适用于孤子传输的研究。
掺钛蓝宝石飞秒激光器在足够 高的泵浦强度下工作，腔内激 光在钛宝石晶体中的功率密度 约达到1.0MW/cm2时，由于高强 度光场与介质的相互作用，导 致光束自聚焦，产生光克尔透 镜效应。由于光克尔透镜和光 阑（狭缝）构成的幅度调制器 的作用，使脉冲前沿和后沿的 损耗大于中部峰值损耗，从而 使脉冲压缩。这种脉冲光在腔 内循环被放大与压缩，并通过 增益竞争就可以输出稳定的飞 秒光脉冲。使各种锁模机制之 间达到最佳平衡，最终才能输 出稳定的飞秒激光脉冲。
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二、如何产生飞秒激光
1、普通激光的产生
1960年，由Maiman实现第一台激光器：红宝石激光器。
红宝石激光器结构原理图 10
2、飞秒激光脉冲产生原理
（1）飞秒脉冲激光技术 普通激光器产生的是连续的激光，要压缩成脉冲的形式
飞秒激光器在此基础上还需要锁模元件、色散补偿元件
1）调Q技术 调节谐振腔的品质因数Q，使受激辐射迅速地形成和增强， 从而输出强大的激光脉冲。
2）锁模技术 锁模就是将需要的那种组合模式选出来让它振荡，即增
益相同时，让它的损耗最小。
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3）色散补偿 从腔内输出的飞秒光
脉冲越短，脉冲光谱带越 宽；影响进一步压缩；为 使激光器产生更短的光脉 冲，必须在腔内插入补偿 元件。
(2)产生原理 以KLM锁模掺钛蓝宝石激
光器为例
12源自文库
KLM锁模掺钛蓝宝石激光器实物图
大约相当于8飞秒。
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3、飞秒激光 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间
非常短，只有几个飞秒。 我们知道光一秒钟可穿越30万千米，但它在100飞秒
的时间内，只能通过人的头发直径那么短的距离。 所以飞秒激光的脉冲也非常短，目前已经达到了4fs 以内（可见光-近红外波段）。
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连续激光
脉冲激光
3
这是我们我们生活中 常见的激光器。 属于半导体激光器。
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2、飞秒 飞秒是一个时间单位。一飞秒就是10的负15次方秒。
也就是1/1000万亿秒。 我们知道宇宙年龄有多大？ 答案： 140多亿年。 一小时相对宇宙年龄有多短？ 答案：8×10-15 也就是说如果把宇宙的年龄比作一秒，那么一小时
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（3）飞秒激光器 飞秒激光器目前主要存在四大类别：
其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。 不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了从紫外到近红
外波段，但最有效的还是集中在红光波段。随着固体、半导体、光纤 飞秒激光器的崛起，飞秒染料激光器在红外和紫外波段已经失去了竞 争能力，但在可见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分 辨光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过程的研究中。 其二是以掺钛蓝宝石，Li：SAF，掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒 固体激光器。 由于这种固体材料具有比染料更宽的调谐范围，更大的饱和增益通量 和更长的激光上能级寿命，使其在飞秒激光运转的许多特性都优于染 料激光器，加之固体材料具有更稳定的光学性质和更紧凑的结构，使 得飞秒固体激光器在很短的时间里发展成为飞秒激光技术的主体。
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然后再由色散补偿进一步产生更短的脉冲。色散补偿与 自相位调制和克尔透镜相结合，使各种锁模机制之间达 到最佳平衡，最终才能输出稳定的飞秒激光脉冲。
KLM锁模原理图
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克尔透镜锁模是由于增益介质 非线性克尔效应引起光束的自 聚焦，使高强度光束更有效地 通过腔内的孔，即对高脉冲强 度产生低损耗，低强度的光束 产生高的损耗。这种有效的类 饱和吸收行为是通过克尔介质 的自聚焦效应和孔共同作用产 生的。由于与光强度有关的折 射率变化，克尔效应产生了依 赖于光强的透镜，该透镜对脉 冲强的部分有更强的聚焦，使 其几乎无损耗地通过孔。
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三、飞秒激光加工机理
1、加工机理 飞秒激光脉冲和材料作用过程中,材料中的电子通过
对入射激光的多光子非线性吸收方式获得受激能量, 获得的能量仅在几个纳米厚度的吸收层上迅速聚积, 作用区域内的温度瞬间急剧上升,并远远超过材料的 熔化和汽化温度值,使物质发生高度电离,最终处于前 所未有的高温、高压和高密度的等离子体状态; 由于受辐射持续时间只有飞秒量级(10-15s),远小于材 料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时 间,因而从根本上避免了热扩散的存在和影响;
4、飞秒激光特点
1)、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率 可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多 出上百倍;
2)、物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现 象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都 会变成等离子体;
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3)、飞秒激光具有 精确的靶向聚焦定 位特点，能够聚焦 到比头发的直径还 要小的多的超细微 空间区域;
飞秒激光加工技术
机研133张国召
1
主要内容
1、什么是飞秒激光 2、如何产生飞秒激光 3、飞秒激光加工机理 4、飞秒加工的应用
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一、什么是飞秒激光
1、激光 组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分
布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光 子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上， 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，这就 叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
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同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率,产生的光 电场强度比原子内部库仑场高数倍,材料内部原有的 束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀, 最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形 式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.
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2、加工特点 1）可加工材料广泛 当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时,飞秒激光可
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其三是以多量子阱材料为代表的飞秒半导体激光器。 超短脉冲半导体激光器的研究在很长时间里始终没有跨越皮秒
级，直到将多量子阱材料引入到短脉冲半导体激光器中，才使 超短脉冲半导体激光器成为飞秒激光家庭中的重要成员。飞秒 半导体激光器主要应用于高比特多路通信，超长距孤子光纤通 信等领域。
其四是以掺杂稀土元素的SiO2为增益介质的飞秒光纤激光器。 其主要特点是结构紧凑，小巧，高效率，低损耗，负色散和全 光学，其波长适用于光通信，特别适用于孤子传输的研究。
掺钛蓝宝石飞秒激光器在足够 高的泵浦强度下工作，腔内激 光在钛宝石晶体中的功率密度 约达到1.0MW/cm2时，由于高强 度光场与介质的相互作用，导 致光束自聚焦，产生光克尔透 镜效应。由于光克尔透镜和光 阑（狭缝）构成的幅度调制器 的作用，使脉冲前沿和后沿的 损耗大于中部峰值损耗，从而 使脉冲压缩。这种脉冲光在腔 内循环被放大与压缩，并通过 增益竞争就可以输出稳定的飞 秒光脉冲。使各种锁模机制之 间达到最佳平衡，最终才能输 出稳定的飞秒激光脉冲。
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二、如何产生飞秒激光
1、普通激光的产生
1960年，由Maiman实现第一台激光器：红宝石激光器。
红宝石激光器结构原理图 10
2、飞秒激光脉冲产生原理
（1）飞秒脉冲激光技术 普通激光器产生的是连续的激光，要压缩成脉冲的形式
飞秒激光器在此基础上还需要锁模元件、色散补偿元件
1）调Q技术 调节谐振腔的品质因数Q，使受激辐射迅速地形成和增强， 从而输出强大的激光脉冲。
2）锁模技术 锁模就是将需要的那种组合模式选出来让它振荡，即增
益相同时，让它的损耗最小。
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3）色散补偿 从腔内输出的飞秒光
脉冲越短，脉冲光谱带越 宽；影响进一步压缩；为 使激光器产生更短的光脉 冲，必须在腔内插入补偿 元件。
(2)产生原理 以KLM锁模掺钛蓝宝石激
光器为例
12源自文库
KLM锁模掺钛蓝宝石激光器实物图
大约相当于8飞秒。
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3、飞秒激光 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间
非常短，只有几个飞秒。 我们知道光一秒钟可穿越30万千米，但它在100飞秒
的时间内，只能通过人的头发直径那么短的距离。 所以飞秒激光的脉冲也非常短，目前已经达到了4fs 以内（可见光-近红外波段）。
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连续激光
脉冲激光
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这是我们我们生活中 常见的激光器。 属于半导体激光器。
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2、飞秒 飞秒是一个时间单位。一飞秒就是10的负15次方秒。
也就是1/1000万亿秒。 我们知道宇宙年龄有多大？ 答案： 140多亿年。 一小时相对宇宙年龄有多短？ 答案：8×10-15 也就是说如果把宇宙的年龄比作一秒，那么一小时
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（3）飞秒激光器 飞秒激光器目前主要存在四大类别：
其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。 不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了从紫外到近红
外波段，但最有效的还是集中在红光波段。随着固体、半导体、光纤 飞秒激光器的崛起，飞秒染料激光器在红外和紫外波段已经失去了竞 争能力，但在可见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分 辨光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过程的研究中。 其二是以掺钛蓝宝石，Li：SAF，掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒 固体激光器。 由于这种固体材料具有比染料更宽的调谐范围，更大的饱和增益通量 和更长的激光上能级寿命，使其在飞秒激光运转的许多特性都优于染 料激光器，加之固体材料具有更稳定的光学性质和更紧凑的结构，使 得飞秒固体激光器在很短的时间里发展成为飞秒激光技术的主体。
13
然后再由色散补偿进一步产生更短的脉冲。色散补偿与 自相位调制和克尔透镜相结合，使各种锁模机制之间达 到最佳平衡，最终才能输出稳定的飞秒激光脉冲。
KLM锁模原理图
14
克尔透镜锁模是由于增益介质 非线性克尔效应引起光束的自 聚焦，使高强度光束更有效地 通过腔内的孔，即对高脉冲强 度产生低损耗，低强度的光束 产生高的损耗。这种有效的类 饱和吸收行为是通过克尔介质 的自聚焦效应和孔共同作用产 生的。由于与光强度有关的折 射率变化，克尔效应产生了依 赖于光强的透镜，该透镜对脉 冲强的部分有更强的聚焦，使 其几乎无损耗地通过孔。
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三、飞秒激光加工机理
1、加工机理 飞秒激光脉冲和材料作用过程中,材料中的电子通过
对入射激光的多光子非线性吸收方式获得受激能量, 获得的能量仅在几个纳米厚度的吸收层上迅速聚积, 作用区域内的温度瞬间急剧上升,并远远超过材料的 熔化和汽化温度值,使物质发生高度电离,最终处于前 所未有的高温、高压和高密度的等离子体状态; 由于受辐射持续时间只有飞秒量级(10-15s),远小于材 料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时 间,因而从根本上避免了热扩散的存在和影响;