前言：飞秒激光的特点：脉冲宽度短，脉冲峰值功率高，覆盖频谱范围广。
飞秒激光的简介
前言：飞秒激光的特点：脉冲宽度短，脉冲峰值功率高，覆盖频谱范围广。
一、飞秒激光的简介
飞秒激光脉冲的持续时间10-15 s,即飞秒（Femtosecond——fs），它相当于电子缠绕原子核半周的时间，以光速计算，在1 fs的时间内，光传播了0.3 um，可见飞秒这一单位的时间之微。这样极端微小的时间在我们所看到的宏观世界里是无法找到它的踪迹的。但是，在由基本粒子所组成的微观世界里，其运动状态的改变常常发生在飞秒这样极短的时刻，如分子的能量转移、化学键的破裂和形成、原子的横向弛豫和纵向弛豫，半导体中载流子的激发和复合等。正是由于这个缘故，在飞秒激光诞生后的相当长的一段时间内，飞秒激光主要是用来研究物理、化学领域微观过程超快现象的一个先进技术，从而在物理、化学和生物领域完成了大量的超快过程的研究，发现了大量的新的超快现象，解释了大量原子、分子微观运动规律，成为多个基础学科研究领域中相当引人瞩目并获得累累成果的研究方向。
二、飞秒激光的功率
飞秒激光的峰值功率是指脉冲持续时间内所具有的瞬时功率，即E/r，E为飞秒脉冲包络内所携带的能量，r为飞秒脉冲包络的极大值一半所应对的时间宽度。由于r为极短的10-15 s量级，即使其携带的能量为毫焦耳量级（10-3 J）,其峰值功率也高达1012 W(TW，太瓦)以上，它相当于全世界发电功率之和。目前的飞秒激光放大系统可以输出高达1015 W（即PW，拍瓦）峰值功率的飞秒激光。如此超强峰值功率的飞秒激光脉冲，聚焦之后其焦点区域内所具有的电场强度已经远远超过原子和对其价电子的库仑力。在其作用下，任何固态和气态物质都会在瞬间变成等离子体。由此发展起来的超快超强激光物理正在形成强场物理研究领域一个新的分支，并被应用到激光受控核聚变、同步辐射加速器等大科学工程中。正在兴起的飞秒激光微纳精细加工技术，也正是利用了飞秒激光超高峰值功率这一特点，在晶格热传导过程还来不及发生时，飞秒激光已经在微纳尺度内完成去除物质或使其改性的物理过程后，扬长而去。
图1.飞秒激光器外观图纸
三、飞秒激光的波长
当前由飞秒激光器直接输出的波长主要集中在0.8-1.5 um的近红外波段，但是由它激发而产生的飞秒激光脉冲激光却覆盖了从X射线到太赫兹这一广阔领域，利用超强飞秒激光和电子束相互作用的汤姆逊散射效应，可以产生相干的硬X射线，波长达0.4 Å。飞秒强激光与惰性气体原子相互作用而引发的高次谐波，可获得软X波段的相干辐射，波长可覆盖十纳米至几纳米。飞秒激光在晶体中的二倍频、四倍频、六倍频效应可将近红外的飞秒激光变换至可见、紫外、极紫外和真空紫外，直至150 nm，与高次谐波的软X波段相接。利用飞秒激光在晶体中的参量振荡和参量放大过程中，可以在近红外，甚至红外波段实现宽频谱范围的调谐。除此之外，利用飞秒激光在非线性介质中的传输，可以发生自相位调制，四波混频，孤子自频移和超连续等多种非线性效应，这些效应都可以使飞秒激光器输出的光脉冲从单一波长变换到紫外至红外波段。特别值得提出的是，太赫兹波这一在大分子领域极具应用价值的亚毫米波长的辐射，在人类征服了X射线-紫外-可见-红外-无线电波的漫长时间后，终于在20世纪80年代，借助飞秒激光技术，实现了10 um-3 mm波段的相干辐射。飞秒激光覆盖光谱范围极广的另一层含义是，飞秒脉冲内包含着数量极大的分立的相干光谱成分。一个脉冲宽度数十飞秒的脉冲可以包含高达百万个频谱成分，相当于上百万个具有不同中心波长的保持相等频率间隔的连续波激光器。
图2.飞秒激光器在切割材料示意图
结语：高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息存储和记录方面都有着很好的发展前景。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。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。此外，高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火，从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。
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