萬(wàn)年孕一瞬
人類誕生以來(lái)，從古至今一直與時(shí)間這一最基本概念聯(lián)系在一起。遠(yuǎn)古時(shí)期，人類就像目前的動(dòng)物一樣，隨著一年四季氣候的變化，或遷徙，或入洞，其時(shí)間概念是年。
人類學(xué)會(huì)耕種進(jìn)入農(nóng)業(yè)時(shí)代后，日出而作，日落而息，對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)已經(jīng)到了天的概念。人類開(kāi)始制造測(cè)量時(shí)間的儀器已是幾千年前的事情，日晷、沙漏和時(shí)鐘的發(fā)明已使人類的時(shí)間概念精確到時(shí)、分。
16世紀(jì)開(kāi)始后，以哥白尼為首掀起的天體運(yùn)動(dòng)研究熱潮和18世紀(jì)開(kāi)始的第一次技術(shù)革命，促使人類對(duì)其周?chē)暧^世界的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行科學(xué)地定量描述，涉及到的一個(gè)最基本物理量就是時(shí)間，最具代表性的例子就是牛頓第二定律所給出的那個(gè)簡(jiǎn)潔、美妙、幾乎無(wú)處不用的公式：F=Ma，其中加速度a是以秒為單位的速度增量，而速度又是以秒為單位的物體運(yùn)動(dòng)距離，它雙重地含有了時(shí)間的概念，宏觀物體運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)時(shí)精度到了秒的量級(jí)。對(duì)于宏觀、低速運(yùn)動(dòng)的描述，秒級(jí)的時(shí)間精度已經(jīng)可以了。
以玻爾和愛(ài)因斯坦為代表開(kāi)創(chuàng)的原子物理、光量子物理的科學(xué)描述，使人類進(jìn)入到原子、分子內(nèi)部的微觀世界，描述這些微觀世界快速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間精度需要毫秒（10^-3 秒）、微秒（10^-6 秒）、納秒（10^-9 秒）、皮秒（10^-12 秒）和飛秒（10^-15秒），與此相應(yīng)發(fā)展起來(lái)的電子技術(shù)也先后可以產(chǎn)生毫秒、微秒、納秒和皮秒的電脈沖，用以研究物理、化學(xué)中電子運(yùn)動(dòng)的快速過(guò)程。
單靠電子技術(shù)無(wú)法產(chǎn)生飛秒脈沖。20世紀(jì)60年代誕生的激光技術(shù)為產(chǎn)生皮秒和飛秒光脈沖提供了一個(gè)新的技術(shù)手段。利用激光的鎖模技術(shù)，先在20世紀(jì)70年代實(shí)現(xiàn)了皮秒脈沖激光的運(yùn)轉(zhuǎn)，繼而又于1981年實(shí)現(xiàn)了飛秒脈沖激光的運(yùn)轉(zhuǎn)。至此，人類開(kāi)始進(jìn)入了一個(gè)嶄新的飛秒時(shí)代。
飛秒開(kāi)新篇
飛秒激光技術(shù)的發(fā)展可以分為幾個(gè)階段。
1981-1990年，以染料激光為代表的第一代飛秒激光技術(shù)，它的誕生為物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域中原子、分子的快速運(yùn)動(dòng)提供了一個(gè)嶄新的探測(cè)手段，推進(jìn)了超快現(xiàn)象這一新的研究領(lǐng)域的發(fā)展，從而開(kāi)辟了飛秒激光技術(shù)超快新時(shí)代；
1991-2005年，以摻鈦藍(lán)寶石激光為代表的第二代飛秒激光技術(shù)，它用固體增益介質(zhì)取代了液體染料增益介質(zhì)，使飛秒激光運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性大大提高的同時(shí)，也提高了峰值功率，使飛秒激光技術(shù)不僅具有超快的時(shí)間特性，而且具有超強(qiáng)的功率特性，使飛秒激光不僅在超快現(xiàn)象研究領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用，而且成為諸如激光受控核聚變快速點(diǎn)火、新一代加速器、精密微納加工等大科學(xué)工程和前沿技術(shù)的重要支撐技術(shù)，從而開(kāi)創(chuàng)了飛秒激光技術(shù)應(yīng)用的新時(shí)代；這期間以Yb摻雜的光纖及碟片飛秒激光器也逐漸成熟，并走向工業(yè)應(yīng)用。
2005年，以光子晶體光纖激光為代表的第三代飛秒激光技術(shù)，它將微納結(jié)構(gòu)引入增益介質(zhì)，代替原來(lái)的塊狀固體或普通光纖，使產(chǎn)生飛秒激光的主要物理機(jī)制變得可控、可調(diào)、可設(shè)計(jì)，且集多種功能于一身，使其具有高效率、高功率（平均）、高光束質(zhì)量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，從而使飛秒激光技術(shù)走向一種系統(tǒng)集成化和應(yīng)用普及化的通用技術(shù)的發(fā)展道路。
魅力無(wú)窮盡
飛秒激光的3個(gè)特點(diǎn)，吸引著眾多科研工作者的爭(zhēng)相研究，魅力無(wú)限。
一是脈沖寬度極短
飛秒激光脈沖的持續(xù)時(shí)間為10^-15 s，即飛秒（fs），它相當(dāng)于電子繞原子核半周的時(shí)間，以光速為30萬(wàn)公里/秒計(jì)算，在1 fs的時(shí)間內(nèi)，光僅傳播了0.3 µm，可見(jiàn)飛秒這一單位的時(shí)間之微。這樣極端微小的時(shí)間在我們所看到的宏觀世界里是無(wú)法找到它的蹤跡的。
但是，在由基本粒子所組成的微觀世界里，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變常常發(fā)生在飛秒這樣極其短暫的時(shí)刻，如分子的能量轉(zhuǎn)移、化學(xué)鍵的破裂和形成、原子的橫向馳豫和縱向馳豫，半導(dǎo)體中載流子的激發(fā)和復(fù)合等等。
正是由于這個(gè)緣故，在飛秒激光誕生后的相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，飛秒激光主要是用來(lái)研究物理、化學(xué)領(lǐng)域微觀過(guò)程超快現(xiàn)象的一個(gè)先進(jìn)技術(shù)，從而在物理、化學(xué)和生物領(lǐng)域完成了大量的超快過(guò)程的研究，發(fā)現(xiàn)了大量的新的超快現(xiàn)象，解釋了大量原子、分子微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，成為多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科研究領(lǐng)域中相當(dāng)引人矚目并獲得累累成果的研究方向。
二是脈沖峰值功率極高
飛秒激光的峰值功率是指脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)所具有的瞬時(shí)功率，即E／τ，E 為飛秒脈沖包絡(luò)內(nèi)所攜帶的能量，τ為飛秒脈沖包絡(luò)的極大值一半處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間寬度。由于τ為極短的10^-15 s量級(jí)，即使其攜帶的能量為毫焦耳量級(jí)（10^-3 J），其峰值功率也高達(dá)10^12 W（TW）以上，它相當(dāng)于全世界發(fā)電總功率之和。目前的飛秒激光放大系統(tǒng)可以輸出高達(dá)10^15 W（PW）峰值功率的光脈沖。
如此超強(qiáng)峰值功率的飛秒激光脈沖，聚焦之后其焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)所具有的電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原子核對(duì)其價(jià)電子的庫(kù)倫力。在其作用下，任何固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)都會(huì)在瞬間變成等離子體。
由此發(fā)展起來(lái)的超快超強(qiáng)激光物理正在形成強(qiáng)場(chǎng)物理領(lǐng)域一個(gè)新的分支，并被應(yīng)用到激光受控核聚變、同步輻射加速器等大科學(xué)工程中。正在興起的飛秒激光微納精細(xì)加工技術(shù)也正是利用了飛秒激光超高峰值功率這一特點(diǎn)，在晶格熱傳導(dǎo)過(guò)程還來(lái)不及發(fā)生時(shí)，飛秒激光已經(jīng)在微納尺度內(nèi)完成去除物質(zhì)或使其改性的物理過(guò)程。
三是覆蓋頻譜范圍極廣
當(dāng)前由飛秒激光器直接輸出的波長(zhǎng)主要集中在0.8~1.5 µm的近紅外波段，但是由它激發(fā)而產(chǎn)生的飛秒激光脈沖卻覆蓋了從X射線到太赫茲波這一廣闊領(lǐng)域，利用超強(qiáng)飛秒激光和電子束相互作用的湯姆遜散射效應(yīng)，可以產(chǎn)生相干的硬X射線，波長(zhǎng)達(dá)0.4埃。
飛秒強(qiáng)激光與惰性氣體原子的相互作用而引發(fā)的高次諧波，可獲得軟X波段的相干輻射，波長(zhǎng)可覆蓋數(shù)十納米至幾納米。飛秒激光在晶體中的二倍頻、四倍頻、六倍頻效應(yīng)可將近紅外的飛秒激光變換至可見(jiàn)、紫外、極紫外和真空紫外，直至150 nm，與高次諧波的軟 X波段相接。利用飛秒激光在晶體中的參量振蕩和參量放大過(guò)程，可以在近紅外，甚至中紅外波段實(shí)現(xiàn)寬頻譜范圍的調(diào)諧。
除此之外，利用飛秒激光在非線性介質(zhì)中的傳輸，可以發(fā)生自相位調(diào)制，四波混頻，孤子自頻移和超連續(xù)等多種非線性效應(yīng)，這些效應(yīng)都可以使飛秒激光器輸出的光脈沖從單一波長(zhǎng)變換到紫外至紅外波段。特別值得提出的是，太赫茲波這一在大分子領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值的亞毫米波長(zhǎng)的輻射，在人類征服了X射線－紫外－可見(jiàn)－紅外－無(wú)線電波的漫長(zhǎng)時(shí)間之后，終于在20世紀(jì)80年代，借助飛秒激光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了10 μm ~ 3 mm波段的相干輻射。
潛龍翔九天
“工欲善其事，必先利其器”飛秒激光出現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)家們歡欣鼓舞，他們擁有了最精準(zhǔn)的“魯班尺”、最鋒利的“巨闕劍”。利用這把精尺、這把利劍，他們窮極物理、發(fā)現(xiàn)未知。幾個(gè)與飛秒激光研究成果相關(guān)的諾貝爾物理獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)是對(duì)飛秒激光技術(shù)對(duì)科學(xué)技術(shù)貢獻(xiàn)最好的詮釋。
經(jīng)過(guò)近三十多年的發(fā)展，飛秒激光除了作為科學(xué)研究的利器，還在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了廣闊的天空。飛秒激光的非熱、冷加工屬性開(kāi)始為人們所鐘愛(ài)，適用于一些其他加工方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高精度、復(fù)雜形狀元器件的加工。對(duì)于超硬材料、易碎材料、高熔點(diǎn)材料、易爆材料的加工，更具有其他加工方法所無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)。目前，飛秒激光微加工已經(jīng)在消費(fèi)電子、生物醫(yī)療、航空航天、信息技術(shù)、新能源、新材料等產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用并將繼續(xù)開(kāi)疆拓土。
目前國(guó)內(nèi)做飛秒激光技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的公司主要有安揚(yáng)激光、銦尼鐳斯、武漢華日激光、國(guó)神光電科技、物科光電等，國(guó)外公司則有Femtolasers（奧地利）、Toptica（美國(guó)）等。更多品牌也可在光電匯平臺(tái)（www.oeshow.cn）查閱。
總之一句話，觀古今于須臾，撫四海于一瞬，飛秒激光技術(shù)時(shí)代已然開(kāi)啟。
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