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(gè)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(huì)用到它——飛秒激光。

飛秒為時(shí)間的計(jì)量單位，1飛秒為1秒的一千萬(wàn)億分之一。飛秒激光，顧名思義就是在飛秒的時(shí)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(shí)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(shí)峰值功率非常高，可達(dá)到百萬(wàn)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(chǎng)的強(qiáng)度比原子核對(duì)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(guò)程中不會(huì)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(guó)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(lái)記錄或者研究發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部非�？斓倪\(yùn)動(dòng)過(guò)程，這是一個(gè)非常重要的應(yīng)用，反應(yīng)過(guò)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(duì)研究多年來(lái)一直致力于飛秒脈沖激光放大及時(shí)間對(duì)比度提升的研究，其團(tuán)隊(duì)科研成果《飛秒脈沖激光的高對(duì)比度放大及精密控制》曾獲2018年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

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(lái)增加它的泵浦能量。在進(jìn)行增加泵浦功率時(shí)，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(shí)通道研究里面的最高峰值功率，且對(duì)比度在10的-10次方以上，“兩臺(tái)或更多的激光器在一起工作時(shí)，可產(chǎn)生更強(qiáng)的功率�！�

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(zhǎng)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(shí)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(duì)病變?cè)缙谠\斷、醫(yī)學(xué)成像、生物活體檢測(cè)、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(shí)施的全飛秒或者飛秒眼科手術(shù)。

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