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超短脉冲激光——飞秒激光

[ 来源:科普中国 | 作者:科普中国 | 发布时间:2022-11-21 | 浏览:785次 ]

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它被称为一把“工具刀”,已经应用于信息、环境、能源、医疗等多个领域,近视矫正手术中的角膜瓣制作、心脏支架等医疗支架的加工成形等都会用到它——飞秒激光。

飞秒为时间的计量单位,1飞秒为1秒的一千万亿分之一。飞秒激光,顾名思义就是在飞秒的时间段内发出的脉冲激光。

飞秒激光有何惊人之处?一是激光持续的时间非常短,即使是光在1飞秒内也只能走0.3微米的距离;二是瞬时峰值功率非常高,可达到百万亿瓦;三是能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域内,使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高。飞秒激光极短的脉宽能在瞬间产生极高的功率密度,可诱导材料发生非线性吸收,从而极大提升加工的空间分辨率,可以保证材料在加工过程中不会产生多余的热量,从而避免材料开裂、破损、融化等现象。

中国科学院物理研究所研究员魏志义介绍,飞秒激光可以用来记录或者研究发生在物质内部非常快的运动过程,这是一个非常重要的应用,反应过程覆盖化学、物理、半导体、信息生物等领域。据了解,魏志义团队研究多年来一直致力于飞秒脉冲激光放大及时间对比度提升的研究,其团队科研成果《飞秒脉冲激光的高对比度放大及精密控制》曾获2018年度国家技术发明奖二等奖。

魏志义介绍,飞秒激光放大的研究基于CPA原理,其研究装置由振荡器、展宽器、放大器和压缩器4部分组成。首先将飞秒激光脉冲进行展宽,下降峰值功率;其次进行放大,使它安全得到更高的能量。待能量达到一定程度后,再用跟展宽色散相反的压缩器压缩回去,使它的脉宽变得跟振荡器脉宽接近;第三,用振荡器来增加它的泵浦能量。在进行增加泵浦功率时,不排除里面的一些非线性效应,但增加放大效率后就可得到1.16PW结果,达到当时通道研究里面的最高峰值功率,且对比度在10的-10次方以上,“两台或更多的激光器在一起工作时,可产生更强的功率。”

飞秒激光放大以后,聚焦到惰性气体上后可产生更高频率的辐射,也叫做高次谐波,可以把激光的波长推进到接近x射线波段。还有超快超强激光聚在空气里面可以形成等离子通道,原理上可以进行导电、定向放电,实现人工引雷,避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成灾难性破坏。

正是由于飞秒激光具有瞬间极速和高功率高分辨率等特性,所以在临床医学中,对病变早期诊断、医学成像、生物活体检测、尤其是外科医疗等方面均可大显身手。例如目前在医院里实施的全飞秒或者飞秒眼科手术。

目前,我国在这个领域具有非常扎实的基础,近年来也不断取得突破性成果,有望继续借助这个技术去揭示更多新的物理规律。