超短脈沖激光及其應(yīng)用

1、超短脈沖激光及其應(yīng)用,,報(bào)告大綱,1）超短脈沖激光及其特點(diǎn)；2）超短脈沖激光產(chǎn)生及其放大技術(shù)簡介；3）超短脈沖激光應(yīng)用；4）今后的發(fā)展趨勢。,一、超短脈沖激光及其特點(diǎn),什么叫超短脈沖激光？,一般指時(shí)間寬度小于10-12秒的激光脈沖。10-12秒~皮秒；10-15秒~飛秒；10-18秒~阿秒,一般超短激光脈沖：~5飛秒~幾百飛秒。,超短脈沖激光有什么特點(diǎn)呢？,時(shí)間寬度非常短。,可以用于處理持續(xù)時(shí)間非常的物理化學(xué)過程：瞬態(tài)成像；

2、超快光開光；高速光通信……,光譜含量非常豐富。,可以用于激光光譜檢測：脈沖整形；通信中的光譜編碼；……,光脈沖的峰值功率非常高。,脈沖功率=脈沖能量/脈沖時(shí)間寬度,1kHz、40fs、0.7?1012W的激光系統(tǒng),激光加工；激光醫(yī)學(xué)手術(shù)；強(qiáng)場激光與物質(zhì)相互作用；激光核聚變；……,1.0?1015W,聚焦功率密度:1020~1022W／cm2,1）要讓被放大的激光包含足夠的光譜寬度；2）要讓這些光譜分量的激光同相位。,二

3、、超短脈沖激光及其放大技術(shù),超短脈沖激光產(chǎn)生必須有足夠的光譜作為支撐。,,1）鎖模；2）色散補(bǔ)償。,啁啾脈沖放大技術(shù),三、超短脈沖激光應(yīng)用,超短、超強(qiáng)是飛秒激光的特點(diǎn)。飛秒激光脈寬可短至4飛秒以內(nèi)，峰值功率高達(dá)拍瓦量級(jí)(1.0PW=1015W)聚焦功率密度達(dá)到1020~1022W／cm2。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準(zhǔn)確地集中在限定的作用區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工，具有其它激光加工無法比

4、擬的優(yōu)勢：,飛秒激光加工,①耗能低，無熱熔區(qū)，“冷”加工；②可加工的材料：從金屬到非金屬再到生物細(xì)胞組織；③不會(huì)出現(xiàn)加工面的熔融、裂縫現(xiàn)象。高精度、高質(zhì)量、高分辨率，加工區(qū)域可小于焦斑尺寸，突破衍射極限；④非接觸，無飛濺無熔渣、無污染、不需特殊的氣體環(huán)境和無后續(xù)工藝。,飛秒激光加工微結(jié)構(gòu),在金屬薄膜上，鈦寶石飛秒激光加工制備出了微納米級(jí)陣列孔，孔徑最小達(dá)2.5μm，孔直徑在2.5～10μm間可調(diào)，最小間距可達(dá)10μm，很容易實(shí)現(xiàn)1

5、0~50μm間距調(diào)整。,飛秒激光加工具有孔邊緣清晰、表面干凈等特點(diǎn),金屬掩模板加工,金屬納米顆粒加工,金屬納米顆粒加工：與其它激光脈沖相比，飛秒激光改變的金屬顆粒尺寸大小和特定形狀。,對(duì)微電子技術(shù)（集成電路）的發(fā)展將具有重要意義。,利用飛秒激光超衍射極限加工有效地修補(bǔ)了金屬鎘掩模板的缺陷，修復(fù)的線寬達(dá)到小于100 nm的精度。,長10?m高7?m立體公牛圖,微小蜘蛛和恐龍模型,復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)加工,飛秒激光微加工技術(shù)在一些特殊領(lǐng)域具有廣闊的

6、應(yīng)用：鉆孔、切割高熱導(dǎo)性、高熔點(diǎn)金屬 (如錸、鈦等)和高硬度金剛石。 安全切割一些高爆危險(xiǎn)物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等，避免了長脈沖激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散等的影響，斷面處沒有炸藥熔化和反應(yīng)的痕跡。但在研究切割雷管時(shí)，沒有熱效應(yīng)，能夠安全切割。利用飛秒激光觀測分析物理化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)，有望控制核聚變，以獲得可控的無污染核聚變能源。將光頻與波頻聯(lián)系起來的飛秒光梳技術(shù)，為更精確的頻率機(jī)構(gòu)一光鐘的誕生鋪平了道路。,光

7、通信領(lǐng)域,與離子注入法和熱擴(kuò)散型離子交換法等目前常用的制作方法相比，飛秒激光制作波導(dǎo)在室溫環(huán)境下進(jìn)行，過程簡單，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在高溫時(shí)仍能保持良好的質(zhì)量和穩(wěn)定性。,利用計(jì)算機(jī)精密控制飛秒激光加工平臺(tái)，可以在材料內(nèi)部的任意位置制得任意形狀的二維、三維或單模光波導(dǎo)。,光波導(dǎo),光柵在光通訊、色散補(bǔ)償、光纖傳感等領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。對(duì)光柵提出了更高的要求：①不同幾何形狀排列，如六角陣列光柵；②在光纖內(nèi)部刻劃，如Bragg(布拉格)光纖光柵

8、。傳統(tǒng)加工方法工序繁雜、制作的光柵穩(wěn)定性差、壽命短。飛秒激光微加工克服了這些缺點(diǎn)，永久性改變折射率，改變量高達(dá)0.05，實(shí)現(xiàn)直接刻劃，順應(yīng)了現(xiàn)代光柵微型化和多樣化的發(fā)展趨勢。,光纖光柵,光子晶體器件：新型的微納光子集成器件，新一代光子器件。飛秒激光雙光子效應(yīng)，加工精度高，是制備光子晶體的理想選擇。,光子晶體,微型光學(xué)回路,光子晶體,光存儲(chǔ):使用高分辨率存儲(chǔ)無疑會(huì)增加記錄密度，而采用超短激光進(jìn)行亞微米級(jí)操作會(huì)得到更好的效果。其特點(diǎn)：

9、快速的數(shù)據(jù)讀、寫、擦寫、重寫；并行數(shù)據(jù)隨機(jī)存??；相鄰數(shù)據(jù)位層間串?dāng)_小；存儲(chǔ)介質(zhì)成本低;三維立體光存儲(chǔ)技術(shù)。,微通道的制備聚合物力學(xué)性能好，具有生物相容性，而且飛秒激光光束幾乎可以毫無衰減地到達(dá)透明材料內(nèi)部的聚焦點(diǎn)，入射激光唯有在該點(diǎn)位置才能獲得較高的功率密度，發(fā)生非線性多光子吸收和電離，實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)任意部位三維微結(jié)構(gòu)的直寫。道壁光滑且沒有裂紋，沒有損壞透明材料表面，這種微通道將廣泛用于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)如DNA拉伸、微統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)等。,

10、生物醫(yī)療領(lǐng)域,飛秒激光具有“冷”加工、能量消耗低、損傷小、準(zhǔn)確度高、三維空間上嚴(yán)格定位的優(yōu)點(diǎn)，最大限度地滿足了生物醫(yī)療的特殊要求：①手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，可對(duì)同一患處進(jìn)行多次手術(shù)，治療愈合周期短；②相比傳統(tǒng)手術(shù)刀，醫(yī)源性感染少；③全激光手術(shù)，無刀勝有刀，精確度高；④無痛，無并發(fā)癥。,①在牙齒、隱形眼鏡上鉆孔，邊緣干凈、無損傷；②非熱性手術(shù)切割燒蝕腦組織；③納米切割人體染色體；④制作血管支架，力學(xué)性能好，可望解決血管再狹窄問題，即治療冠心病；⑤飛秒

11、激光飛行質(zhì)譜DNA排序；,飛秒激光治療近視,一、飛秒激光制作的角膜瓣，切削的角膜瓣厚度均勻一致，瓣的厚薄和直徑都可以設(shè)定，可控性非常好，損傷的神經(jīng)和血管較少，大大減少了術(shù)后干眼癥的發(fā)生率。 二、全激光手術(shù)，完全避免了交叉感染的可能。 三、飛秒激光誤差小，醫(yī)生可以根據(jù)患者的角膜情況進(jìn)行設(shè)置角膜瓣的厚度，厚薄完全在醫(yī)生的精確掌控中，因此，術(shù)前即可準(zhǔn)確預(yù)測剩余角膜基質(zhì)床的厚度，這對(duì)合理地設(shè)計(jì)手術(shù)方案、保證手術(shù)安全更為有利。 四、飛秒激光

12、制作角膜瓣，能夠完全避免金屬角膜刀制瓣時(shí)可能出現(xiàn)的破碎瓣、游離瓣、紐扣瓣、醫(yī)源性交叉感染、醫(yī)源性像差等并發(fā)癥，并能將術(shù)后發(fā)生干眼癥的概率降低。,治療的全過程,LASIK治療近視眼,LASIK治療近視眼,LASIK治療近視眼,使用板層刀制作角膜瓣,LASIK治療近視眼,角膜瓣制作完成,,LASIK治療近視眼,,激光進(jìn)行角膜切削,LASIK治療近視眼,LASIK治療近視眼,LASIK治療近視眼,角膜瓣復(fù)位,LASIK治療近視眼,LASIK治

13、療近視眼,角膜瓣復(fù)位,LASIK治療近視眼,治療后的角膜形狀,,飛秒激光成像,時(shí)間間隔15ps，時(shí)間分辨300fs.,快門速度440ps,檢測化學(xué)反應(yīng): 通過化學(xué)反應(yīng)過程中原子或分子的光譜特性變化診斷其過程。,High-harmonic interferometry can be used to measure the amplitude and phase of light emitted from molecules. This m

14、ethod has now been used to reveal the ultrafast dynamics of electrons and nuclear interactions during a chemical reaction.,超寬帶特性可用于高比特率的光通信 。,需解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)問題：(1)目前沒有形成一套完整的理論來解釋：在超快、超短、超強(qiáng)的極端條件下，激光與物質(zhì)相互作用的物理本質(zhì)；(2)加大力度投資生產(chǎn)飛秒