超短脈沖激光——飛秒激光

它被稱為一把“工具刀”，已經(jīng)應(yīng)用于信息、環(huán)境、能源、醫(yī)療等多個領(lǐng)域，近視矯正手術(shù)中的角膜瓣制作、心臟支架等醫(yī)療支架的加工成形等都會用到它——飛秒激光。

飛秒為時間的計量單位，1飛秒為1秒的一千萬億分之一。飛秒激光，顧名思義就是在飛秒的時間段內(nèi)發(fā)出的脈沖激光。

飛秒激光有何驚人之處？一是激光持續(xù)的時間非常短，即使是光在1飛秒內(nèi)也只能走0.3微米的距離；二是瞬時峰值功率非常高，可達(dá)到百萬億瓦；三是能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域內(nèi)，使電磁場的強(qiáng)度比原子核對其周圍電子的作用力還要高。飛秒激光極短的脈寬能在瞬間產(chǎn)生極高的功率密度，可誘導(dǎo)材料發(fā)生非線性吸收，從而極大提升加工的空間分辨率，可以保證材料在加工過程中不會產(chǎn)生多余的熱量，從而避免材料開裂、破損、融化等現(xiàn)象。

中國科學(xué)院物理研究所研究員魏志義介紹，飛秒激光可以用來記錄或者研究發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部非?？斓倪\(yùn)動過程，這是一個非常重要的應(yīng)用，反應(yīng)過程覆蓋化學(xué)、物理、半導(dǎo)體、信息生物等領(lǐng)域。據(jù)了解，魏志義團(tuán)隊研究多年來一直致力于飛秒脈沖激光放大及時間對比度提升的研究，其團(tuán)隊科研成果《飛秒脈沖激光的高對比度放大及精密控制》曾獲2018年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。

魏志義介紹，飛秒激光放大的研究基于CPA原理，其研究裝置由振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器4部分組成。首先將飛秒激光脈沖進(jìn)行展寬，下降峰值功率；其次進(jìn)行放大，使它安全得到更高的能量。待能量達(dá)到一定程度后，再用跟展寬色散相反的壓縮器壓縮回去，使它的脈寬變得跟振蕩器脈寬接近；第三，用振蕩器來增加它的泵浦能量。在進(jìn)行增加泵浦功率時，不排除里面的一些非線性效應(yīng)，但增加放大效率后就可得到1.16PW結(jié)果，達(dá)到當(dāng)時通道研究里面的最高峰值功率，且對比度在10的-10次方以上，“兩臺或更多的激光器在一起工作時，可產(chǎn)生更強(qiáng)的功率?！?/p>

飛秒激光放大以后，聚焦到惰性氣體上后可產(chǎn)生更高頻率的輻射，也叫做高次諧波，可以把激光的波長推進(jìn)到接近x射線波段。還有超快超強(qiáng)激光聚在空氣里面可以形成等離子通道，原理上可以進(jìn)行導(dǎo)電、定向放電，實現(xiàn)人工引雷，避免飛機(jī)、火箭、發(fā)電廠因天然雷擊而造成災(zāi)難性破壞。

正是由于飛秒激光具有瞬間極速和高功率高分辨率等特性，所以在臨床醫(yī)學(xué)中，對病變早期診斷、醫(yī)學(xué)成像、生物活體檢測、尤其是外科醫(yī)療等方面均可大顯身手。例如目前在醫(yī)院里實施的全飛秒或者飛秒眼科手術(shù)。

目前，我國在這個領(lǐng)域具有非常扎實的基礎(chǔ)，近年來也不斷取得突破性成果，有望繼續(xù)借助這個技術(shù)去揭示更多新的物理規(guī)律。

中國科協(xié)科普部

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