自20世纪80年代飞秒激光器在美国问世，飞秒激光技术得到了迅猛发展。由于飞秒级激光加工具有高能量密度、热影响区小、无飞溅无熔渣、无需特殊气体环境、无后续工艺、双光子聚合加工精度可达亚微米级等优势，因此在生物医学、医疗设备、微结构加工、光电子信息产业等多个领域发挥着重要作用。接下来，小编将带着大家了解飞秒级激光加工的原理、技术特点、应用情况及未来发展趋势。

 

一、飞秒激光的工作原理

 

       （1）超短脉冲的产生

 

       飞秒激光（femtosecond laser）是指时域脉冲宽度在飞秒（10^-15秒）量级的激光，在时间分辨率上属于超快激光（ultra-fast laser）。在飞秒量级的激光技术中，获得超短脉冲的主要方法是锁模技术。锁模的方法主要有两种：主动锁模和被动锁模。主动锁模是在激光腔内插入一个调制器，调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔，这样可以得到重复率为f＝c／2L的锁模脉冲序列。被动锁模是根据可饱和吸收体的特性进行锁模的，在激光谐振腔中插入可饱和吸收体来调节腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。利用锁模技术对激光束进行调制，使光束中不同的振荡纵模具有确定的相位关系，从而使各个模式相干叠加得到超短脉冲。

 

图1 单频连续激光转换为高相干飞秒脉冲

 

       （2）飞秒激光的放大

 

       飞秒激光的放大基于Chirped Pulse Amplification(CPA)原理。其原理及原因是：超短脉冲激光分支功率较高，直接放大时，能量增加后，峰值功率过高，会损伤光学镜片及放大用的晶体等元件，需要在时域上将脉冲展宽到皮秒甚至纳秒，降低峰值功率，这样在放大过程中就降低了损伤元件的风险，而且由于脉宽变宽了，与泵浦激光的重合时间更长，可以提取更多的能量。能量放大后将光斑扩大，时域上再把脉宽宽度压缩回到原来的超短状态，这样就既得到了短脉冲，又安全的获得了高的单脉冲能量，实现了高峰值功率的超短脉冲激光。值得一提的是，该技术的二位发明人Mourou和Strickland因此而获得了2018年诺贝尔物理学奖。

 

       （3）飞秒激光的特点

 

       飞秒激光具有以下几个特点：首先是飞秒激光持续的时间极其短，只有几个飞秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲还要短几千倍，是人类在实验条件下所能获得的最短脉冲；其次是飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可以达到百万亿瓦，比全世界发电总功率还要多出上百倍；再次是飞秒激光能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域内，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高出数倍，而其中许多的极端物理条件是地球上所不存在的，以及用其他的方法也不可能得到的。由于飞秒激光的峰值功率超高，经过聚焦后，其光强能达到10²² W/cm²量级。这样的强度远超过原子内部相互作用库伦场，所以，飞秒激光脉冲能轻易将电子脱离原子的束缚，形成等离子体。例如，氢原子的库伦场强为5×10¹¹ V/m，而1 mJ的飞秒激光脉冲经过聚焦后，能达到10¹² V/m量级，所以能使氢原子电离。

 

二、飞秒激光的前沿应用

 

       由于飞秒激光常常会诱发如多光子效应、自聚焦现象、雪崩电离等各种非线性现象，因此在微纳加工及制造、环境、精密测量、生物医学等诸多领域应用中，都具有非常广阔的应用前景。

   

       （1）微纳加工及制造领域

 

       利用光子的高能量、高频率特性，飞秒激光能够对固体材料进行瞬间加工，当激光束瞬间照射到固体表面时，激光能量会迅速转化为离子和自由电子，形成等离子体区域或局部化学反应，这种非热效应的加工过程可以实现仅影响材料的局部，使其发生微观结构变化，所以相对于传统加工方法，飞秒激光加工可以实现微米级别的加工精度，并且由于能够实现低热效应的微结构加工，其在连续激光烧蚀或长脉冲激光烧蚀、微型螺旋机器人的制造及微光学、微流控等应用领域具有明显的优势。

 

图2 基于飞秒激光直写技术制备的二元锥透镜的几何形貌、光学性能表征结果

 

       此外，基于飞秒激光对材料表面微纳结构的设计和改性，可以实现超亲水与超疏水性、超疏油性、水下超疏气与超亲气性、液体灌注超滑表面、水下超疏聚合物性、超疏液态金属性、可调黏满性、各向异性浸润性、智能可调浸润性等一系列极端浸润性质。这些特殊的浸润性使得飞秒激光作用后的材料获得了一系列实际应用，如防水/防油/防气、自清洁、液滴操控、液体图案化、浮力增强、微小液滴/气胞释放、油水分离、水气分离、防结冰、防腐蚀、水下减阻、水雾收集、柔性电路/电子器件、细胞工程、生物医疗、海水淡化、表面增强拉曼散射等。

 

图3 基于飞秒激光的各种超疏水金属表面

 

       （2）生物医学领域

 

       在医疗领域，由于飞秒激光脉宽极短、功率极高，因此作用期间不会产生多余的热量，从而大大减少了患者的疼痛感以及额外损伤。目前，飞秒激光技术在生物医学领域最成熟的应用之一便是激光矫视，包括半飞秒、全飞秒激光手术。半飞秒激光手术是一种中间型的激光矫正技术，能够在极短的脉冲时间内实现角膜重塑，以减少对角膜的热损伤，而全飞秒激光手术（也称为无刀激光手术）则是一种更先进的激光矫正技术，在该手术过程中，激光器不仅可以重塑角膜的形状，还能够切割角膜组织。利用飞秒激光制作的角膜瓣的精确度控制在10 μm以内，大大高于传统板刀层的精确度，且有效避免了用金属刀制作角膜瓣容易引发的手术并发症，提高了手术的安全性。此外，飞秒激光在纳米切割人体染色体、非热性手术切割烧蚀脑组织样品等显微外科中，也具有非常广泛的应用前景。

 

图4 全飞秒激光矫视示意图

 

       （3）环境领域

 

       高峰值功率飞秒激光脉冲在空气中传输时，会形成一种长度远远超过其光学瑞利距离的结构——“光丝”，即飞秒激光成丝现象，飞秒激光成丝的电子密度等特性对于诱导闪电、空气中水的凝聚及雪的形成、大气远程探测等众多领域的应用极其重要。此外，利用高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。

 

图5 利用飞秒激光成丝实现（a）诱导闪电；（b）大气环境监测

 

       （4）精密测量领域

 

       绝对距离测量在卫星编队飞行、行星空间定位、深空探测以及高端制造业等领域扮演着至关重要的角色。飞秒激光脉冲以其极短的脉冲宽度、极高的峰值功率、稳定的高重复频率以及广泛的频谱覆盖范围，为时间频率测量和精确距离测量提供了创新的技术解决方案。同时，随着航空航天遥感、****测量、工业加工和测绘等领域对测量精度需求的日益增长，纳米乃至亚纳米级别的测量技术变得越发重要。飞秒激光频率梳作为一种光源，融合了飞行时间测量和干涉测量的技术，展现出实现高精度、大范围、快速测量的巨大潜力。除了直接利用飞秒激光频率梳进行测量之外，该技术还可以作为辅助手段，用于提高其他测量方法的绝对精度。

 

图 6 利用飞秒激光实现精密测距

 

三、飞秒激光的发展前景

 

        飞秒激光技术因其独特的超快、超强和超精密加工能力，在众多领域中展现出了巨大的应用潜力和发展前景，作为未来应用的奠基石，飞秒激光技术的发展也势将会引领一系列的前沿技术革新，包括：（1）进一步革新科学研究的“工具箱”，促进超快现象和过程的观察和研究；（2）促进工业级微纳加工的发展，赋能高精度、复杂形状元器件的加工和生产；（3）助力新兴应用发展，创新和变革生物医学、精密测量等领域的技术水平……总之，飞秒激光技术的发展将为人类社会带来深远的影响，如推进科学研究进程、革新医疗技术、变革工业生产方式、新能源开发、环境监测和治理、提升信息技术和**安全领域的应用水平等。尽管飞秒激光技术的发展仍受到成本、安全性问题及对传统行业冲击等问题与挑战，但通过持续的研究和合理的政策引导，就能确保飞秒激光技术为人类社会带来更多的变革和便利。

 

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科学编辑 | 赖寿强 厦门大学

 

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