超短脉冲激光及其应用

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；
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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
P E /
时间
1kHz、40fs、0.71012W的激光系统
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。
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。
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。
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
什么叫超短脉冲激光？
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。
LASIK治疗近视眼
LASIK治疗近视眼
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使用板层刀制作角膜瓣
LASIK治疗近视眼
角膜瓣制作完成
LASIK治疗近视眼
激光进行角膜切 削
LASIK治疗近视眼
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LASIK治疗近视眼
角膜瓣复位
LASIK治疗近视眼
LASIK治疗近视眼
角膜瓣复位
LASIK治疗近视眼
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。
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。
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：
治疗后的角膜形状
飞秒激光成像
时间间隔15ps，时间 分辨300fs.
快门速度440ps
检测化学反应: 通过化学反应过程中原子或分子的光谱特性 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.
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。
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