超快超强激光加工课件

第6章超快激光加工技术2013年秋·机电工程学院温州大学研究生课程激光先进制造技术第6章超快激光加工技术2013年秋·机电工程学院温州大学研§5:超快激光与物质相互作用及应用1、

杨齐民钟丽云吕晓旭编著,《激光原理与激光器件》,20032、相关文献§5:超快激光与物质相互作用及应用1、

杨齐民钟丽云吕晓飞秒激光峰值功率极高：1015W脉冲短：10－15s人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段聚焦光斑小：m量级比全世界发电总功率还大聚焦功率密度大：1020～1022W/cm2电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍精确的靶向聚焦飞秒激光峰值功率极高：1015W脉冲短：10－15s人类目物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体;用飞秒激光进行加工，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会对基材造成损伤。

飞秒激光物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态飞秒激光飞秒激光已成为科学探索的最有力的工具飞秒激光微加工技术将在超高速光通讯、强场科学、纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在的市场前景。科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。飞秒激光飞秒激光已成为科学探索的最有力的工具飞秒激光微加工技内容提要超快激光技术超快激光与物质相互作用基础飞秒激光应用举例内容提要超快激光技术超快激光与物质相互作用基础飞秒激光应用举超快激光技术超快激光技术脉冲激光技术调Q先关闭Q开关，使得激光器不能起振，使得粒子数反转浓度迅速增大电光调Q：脉宽达到数ns数十ns；声光调Q：脉宽达到数百ns在激光腔内增加一个Q开关；打开Q开关，腔呈低损态，高Q值；关闭Q开关,腔呈高损态，低Q值；当打开Q开关时，粒子数反转浓度远大于高Q态的阈值粒子数反转浓度，激光器开始起振脉冲激光技术调Q先关闭Q开关，使得激光器不能起振，使得粒子数脉冲激光技术锁模腔内存在单纵模和各种模式的组合锁模就是将需要的那种组合模式选出来让它振荡，即增益相同时，让它的损耗最小脉冲激光技术锁模腔内存在单纵模和各种模式的组合锁模就是将需要锁模激光器原理－腔内波函数空间分布在三维自由空间中，波的运动方程式为：在矩形开放式的驻波腔内，只考虑波函数空间分布：矩形截面光学谐振腔锁模激光器原理－腔内波函数空间分布在三维自由空间中，波的运动是垂直于Z轴（x,y平面）的光强分布锁模激光器原理－－横模驻波条件：得：分离值是垂直于Z轴（x,y平面）的光强锁模激光器原理－－横模由于腔边沿存在严重衍射损耗，所以不能用正弦函数描述，而用高斯函数描述几种低阶横模的光强分布和光斑图TEMnm锁模激光器原理－－横模由于腔边沿存在严重衍射损耗，所以不能用锁模激光器原理－－纵模纵模：是光场沿Z方向的分布驻波波长与腔长l应满足如下关系则波矢给定一个q，对应一个kz，分离的对于开放式谐振腔有：故有：纵波波长即为光波波长，纵波频率即为光波频率锁模激光器原理－－纵模纵模：是光场沿Z方向的分布驻锁模激光器原理－－纵模设有一个激光器，其中有n个纵模在振荡，其中第n个纵模的电矢量为：都是腔内允许存在的模式腔内驻波条件锁模激光器原理－－纵模设有一个激光器，其中有n个纵模在振荡，锁模激光器原理－－纵模多模场的电矢量E(t)是所有单模场电矢量的总和：相邻两个纵模的圆频率间隔这些和是各种各样的，取决于它们之间的相位，所有这些形式的组合实际就是各个纵模的不同形式的拍频，它们同样是腔内允许存在的模式。锁模激光器原理－－纵模多模场的电矢量E(t)是所有单模场电矢腔内允许存在的纵模虽然有无数多个，但必须落在增益线宽内的纵模，才有可能获得增益；图腔内可能振荡的最大纵模数只有增益足够大，满足阈值条件，才能够在腔内振荡；增益线宽越宽，可能振荡的模式数就越多；最大模式数不会超过：锁模激光器原理－－纵模腔内允许存在的纵模虽然有无数多个，但必须落在增益线宽内的纵模锁模激光器原理－－纵模组合研究一种简单组合，假设所有纵模的相位都相等且为零，即使这样的求和也是很麻烦的。首先研究三个纵模。求和，即拍频效应：上述三个周期电场可分别用三个旋转矢量来表示，设它们的长度都相同为A，而旋转角速度分别为：锁模激光器原理－－纵模组合研究一种简单组合，假设所有纵模的相锁模激光器原理－－纵模组合以一角速度的动坐标来研究此问题当时：拍的峰值当时：当时：锁模激光器原理－－纵模组合以一角速度的动坐标来研究此锁模激光器原理－－纵模组合当时：当时：当时：三模锁相的拍频随时间变化三模锁相的旋转矢量模型锁模激光器原理－－纵模组合当时：当锁模激光器原理－－纵模组合n个,每个巨脉冲的峰值为nA，空间间隔为2l,记为En(t)分为两组求和,每个巨脉冲的峰值为nA/2，空间间隔为l，En/2(t)分为四组求和,每个巨脉冲的峰值为nA/4，空间间隔为l/2,En/4(t)锁模激光器原理－－纵模组合n个,每个巨脉冲的峰值为nA，空锁模激光器原理－－纵模组合一直分下去，单个纵模。这些都是允许存在的模式腔长随机变化，相位也随机，所以上述拍频模式都存在，因此腔内真实存在的模式：图各种拍频随机出现时的腔内模式无论其振幅和相位都在随机变动锁模激光器原理－－纵模组合一直分下去，单个纵模。这些都是允许锁模激光器原理－－简单原理让腔内只有一种拍频模式存在，特别是只让En(t)振荡，而其余拍频不能振荡－－锁模技术拍频En(t)是一个周期为T的巨脉冲系列，比起调Q技术获得的巨脉冲，它的脉宽更窄，峰值功率更高锁模激光器原理－－简单原理让腔内只有一种拍频模式存在，特别是锁模激光器原理－－简单原理图周期性损耗的调制开关在腔内装上一个周期性的损耗调制器：每隔T，开关打开一非常短的时间，使损耗减少到最小，刚好能够让巨脉冲En(t)通过，促后又回到高损状态。En(t)模式能够起振，而其他模式En/2(t)En/4(t)因损耗过大无法起振。锁模激光器原理－－简单原理图周期性损耗的调制开关在腔内装锁模激光器原理－－脉冲基本参量锁相脉冲峰值：锁相脉冲时间宽度－－锁相脉冲可能的最短脉宽三相n相增益线宽越宽，可参与振荡谱线越多，脉宽越窄锁模激光器原理－－脉冲基本参量锁相脉冲峰值：锁相脉冲时间宽度锁模激光器原理－－脉冲基本参量n个纵模振荡的激光器，在未锁相的情况下:平均功率:锁模峰值功率:锁模巨脉冲的峰值功率为没有锁模时平均功率的n倍锁模激光器原理－－脉冲基本参量n个纵模振荡的激光器，在未锁相主动锁模 周期性调制谐振腔损耗 振幅调制，相位调制被动锁模 可饱和吸收体同步泵浦锁模 周期性调制谐振腔的增益自锁模(Ti-Slaser)利用增益介质本身的非线性克尔效应锁模，不需插入任何锁模元件锁模激光器原理－－锁模方式几百fs，如果需要更短脉冲，则脉冲压缩主动锁模锁模激光器原理－－锁模方式几百fs，如果需要更短脉锁模技术本质是在激光腔内利用恢复时间十分快的高速快门，这种快门可由电信号驱动（声光调制器）或依靠材料特性，例如，可饱和吸收染料或激光器本身的非线性特性自动形成。在钕玻璃或Nd:YAG激光器中，常用快恢复时间的可饱和吸收体如五甲川，十一甲川等染料作高速快门。这种染料吸收激光使激光器的阈值提高，但当它吸收了足够的光子达到饱和就不再吸收激光，因而对激光呈透明状态，激光腔的损耗因而急剧减少，此时激光产生振荡。由于其恢复时间极短，它很快又恢复到吸收状态，阻碍激光发射。周而复始.锁模激光器原理－－锁模方式实现锁模技术本质是在激光腔内利用恢复时间十分快的高速快门，这种快锁模激光器原理－－克尔效应克尔透镜锁模技术当光强很强时，这种折射率的变化所引起的光的相位延迟不再可以忽略。光的折射率与光强有关：对于50m，2.5MW，800nm的激光，传播1cm可产生的非线性相移，这等效于一个透镜造成的光束自聚焦—高损耗效果相当于快速可饱和吸收体锁模激光器原理－－克尔效应克尔透镜锁模技术当光强很强时，这Ti:Sapphire晶体吸收和发射光谱发射谱：

600—1150nmDnG(增益带宽)越宽——可以锁定更多的模式(n越大)——

t就越短如何获得超短脉冲宽度（fs量级）的激光脉冲？最短脉冲宽度t=3fs（理论上）

t<5fs(4.5fs)(实验上）2003年钛宝石作为增益介质开始在超短脉冲的产生中发挥了重大作用，为飞秒激光器的固体化，实用化奠定了基础！

Ti:Sapphire晶体吸收和发射光谱DnG(增益带宽)将脉冲进行相位非线性调制，使它变成啁啾脉冲（变调脉冲），其频率先高后低（蓝头红尾）；脉冲压缩技术随着激光啁啾放大技术的快速发展，激光脉冲的峰值功率也在不断地提高！将啁啾脉冲导入光栅对中，由于色散它分解为不同频率的光脉冲输出后，在经反射镜反射回来，由于长波脉冲走的路程长，短波脉冲走的路程短，故它们几乎同时返回到原处，合成为更短的脉冲－－脉冲压缩利用脉冲压缩技术理论上可以获得3fs非线性调制：电光调制，最简单的时非线形材料的二阶非线性折射率，如玻璃光纤将脉冲进行相位非线性调制，使它变成啁啾脉冲（变调脉冲），其Ti:Sapphire

飞秒激光1991年60fs,845-950nm,300mW(6WAr+

泵浦）D,E.Spenceetal,Opt.Lett.16,P.421997年20fs光纤压缩4.5fs

20mJ1KHzM.Nisolietal,Opt.Lett.22,P.522 13fs 光纤压缩5fs

6mJ1MHzA.Baltuskaetal,Opt.Lett.22,P.1021999年腔内产生4.3fs(Sech),4.8fs(Gaussian),<2T(2.7fs),200mW,90MHz,650-1050nmU.Morgneretal,Opt.Lett.24,P.4112003年3.4fsOpticsLetters,2003,28(22):2258~2260Ti:Sapphire飞秒激光1991年60fs,84飞秒激光器的结构振荡器展宽器放大器压缩器飞秒激光器的结构振荡器展宽器放大器压缩器飞秒短脉冲的放大——CPA一些物理学实验研究和应用，如强场物理、激光受控核聚变、半导体载流子的动力学过程等研究要求激光脉冲具有极高的峰值功率，这是普通飞秒振荡级激光器输出的脉冲所不能达到的，所以需要对振荡级输出的飞秒脉冲进行放大！问题的提出困难直接放大飞秒激光脉冲脉冲的峰值功率高于激光晶体的损伤阈值而破坏激光晶体！飞秒短脉冲的放大——CPA一些物理学实验研究stretcherAmplifierCompressorCPA:

ChirpedPulseAmplifier工作原理tt解决办法激光功率增强百万倍以上!!飞秒短脉冲的放大——CPAstretcherAmplifierCompressorCPTi:Sapphire晶体优势：除了具有宽的增益带宽(230nm)外,其饱和通量为0.9J/cm2，热导率在300K时为46W/mK，损伤阈值大于5J/cm2

以及具有比较大的增益截面（～3×10-19cm2）等。这些性质使其成为超短脉冲激光器理想的增益介质。比起染料激光器，以钛宝石为增益介质的激光器具有较宽的调谐范围，相当于4～5种染料组合所覆盖的波段。此外固体介质的激光器还有结构简单，光束质量高，运行可靠，可重复性好等优点。飞秒短脉冲激光器Ti:Sapphire晶体优势：除了具有宽的增益带宽(230同步泵浦多波长飞秒激光器同步泵浦多波长飞秒激光器能够精确同步产生两列或三列不同波长的飞秒光脉冲，其光脉冲的波长可在一定范围内连续调谐。多路光束可以同时在一个激光谐振腔内产生，也可以同时在几个谐振腔内产生。但是，不论是单腔还是复腔，都采用同一块激光晶体，利用了交叉锁模原理。交叉锁模就是在谐振腔内，多路光束都交叉通过同一激光晶体，当经过强自聚焦效应、自相位调制和群速弥散补偿出现增益孔效应时，腔内净增益大于腔内各种损耗之和，就发生交叉锁模。在交叉锁模情况下，多路腔长均相等。所以，产生的飞秒光脉冲序列都是精确同步的。目前同步精度小于1fs同步泵浦多波长飞秒激光器同步泵浦多波长飞秒激光器能够精确同多列不同波长的飞秒光脉冲用处非常大，它是研究泵浦/探测多激发态光谱学、程控飞秒化学反应动力学、选择性生化反应超快速动力学等领域中最理想的工具和手段。同步泵浦多波长飞秒激光器有些情况下，原子分子受较强瞬态光照射之后，使原子分子处于更复杂的较高能量激发态。通过泵浦探测超快时间分辨光谱研究，就可得到该类物质的有关属性。人们很希望用独立调谐的双波长飞秒激光研究光物理、光化学过程。一个原子或一个分子吸收一个谐振光子的时间约为1fs，而光化学的最快化学变化约为0.1fs。绝大多数原子和分子的激发态有很多能级结构，也就是有很多激发态。一个处于电子激发态的分子的能量、电子组态及电子自旋与其基态时很不相同，甚至引起分子形状的改变。因此，该电子激发态的分子优先经历一些复杂的核运动，要搞清楚其细节过程，必须进行研究超快速光反应动力学研究。多列不同波长的飞秒光脉冲用处非常大，它是研究泵浦/探测多激发FacilityPeakPowerTypePulsedurationPulseEnergyRAL,UK1PWNd:glass/OPCPA600fs600JILE,Japan700TWNd:glass/OPCPA700fs350JJAERI,Japan850TWTi:sapphire33fs28JMBI,Germany100TWTi:sapphire50fs5JPhelix,Germany1PWTi:s/Nd:glass500

fs500

JLLNL,USA200TWTi:sapphire100fs20JLULI,France100TWNd:glass300fs30JCEDEX,France100TWTi:sapphire25fs2.5JSILEX-I(四川)286TWTi:sapphire30fs8.7JXL-III（北京）>200TWTi:sapphire40fs10.8JQG-III(上海)120TWTi:sapphire34fs4.3J国际上现有的超短超强激光装置FacilityPeakPowerTypePulsedu国内外具有代表性的飞秒激光器和微加工系统国内外具有代表性的飞秒激光器和微加工系统高功率飞秒激光系统脉宽：30fs峰值功率：286TW峰值强度:>1×1020W/cm2（f/1.7）SILEX-I极光III号脉宽：40fs,峰值功率：200TW峰值强度：>1020W/cm2这是国内目前可进行实验的最高光强高功率飞秒激光系统脉宽：30fsSILEX-I极光III号脉飞秒激光器工作时放大级Spitfire的工作实况实验室激光部的飞秒激光系统飞秒激光器工作时放大级Spitfire的工作实况实验室激光部Fraunhofer激光技术研究所激光功率：400W光束平方米质量：<1.4效率达到：50%脉宽：700fs谱宽：<2nm一般商用<50W飞秒激光的发展Fraunhofer激光技术研究所激光功率：400W一般商用飞秒激光的发展目前国际上开始研究T6系统Table，Tenhertz,Tens,Tera-watt,Ti:sapphire桌上型，10Hz，可调谐，几十TW，掺Ti蓝宝石飞秒激光的发展目前国际上开始研究T6系统Table，Ten超快激光与物质相互作用基础超快激光与物质相互作用基础飞秒激光与物质相互作用基础由于功率密度极强，材料在飞秒激光作用下瞬时产生等离子体由于产生了极强的电场强度（甚至高于氢原子5x109V/cm),可以对电子加速到极高速度----强场物理飞秒激光与物质相互作用基础由于功率密度极强，材料在飞秒激光作1、几种不同的电离机制多光子电离隧道电离过势垒电离2、模型

低阶微扰理论

强场近似模型

直接数值求解含时薛定谔方程

飞秒激光与物质相互作用物理机制1、几种不同的电离机制2、模型

低阶微扰理论

强场近似模型

原子的单光子吸收

h=6.63×10-34Js为Plank常数ν为光子的频率。LightIntensity多光子电离原子的单光子吸收LightIntensity多光子电离多光子电离IpEkinIpEkinsinglephotonshw>Iphw<Ip

Multi-photonEinsteinGöppert-Mayer1931年，GöppertMayer理论上预言原子可以同时吸收两个或者更多的光子。这样，原子就有可能通过吸收多个频率小于原子电离阈值的光子而电离（多光子电离）。多光子电离IpEkinIpEkinsinglephoton然而，普通光源的光强仅为103W/cm2，多光子跃迁的几率非常的小，要观察到这种现象必须有非常强的光源。由于当时实验手段上的限制，对这种现象的研究仅仅停留在理论阶段。（氢原子的库仑电场约为，对应的强度为）多光子电离1960年第一台激光器的出现，使得从实验上观测多光子过程成为可能。Kaiser和Garrett首次在实验上观察到了CaF2的二光子激发。然而，普通光源的光强仅为103W/cm2，多光子跃迁的几率非电子的动能为，其中为光子的能量，为原子的电离能。这是爱因斯坦的光电效应公式的简单推广。在激光强度相对比较低的情况下，可以用微扰理论来解释。()。Ee=n.ħw-Ipħw<<Ip

Multi-photon(lowerintensity)nħIp多光子电离电子的动能为，其中ħw<<IpħIp

Multi-photonEe=(n+s).ħw-Ip1979年，Agostini在氙原子的6光子电离的电子能谱中发现分别对应6个光子和7个光子的两个峰，这表明电子可以吸收高于原子电离阈值所需要的能量。Gontier在1980年将这种效应命名为阈上电离（above-thresholdionization），指的是电子吸收（n+s）个光子，多于电离所需要的最少光子数n的多光子电离。多光子电离ħw<<IpħIpMulti-photon隧道电离1965年，Keldysh提出了一定条件下另外一种不同的电离机制。瞬时的场强足够大并且激光的频率足够低的话，在准静态近似下，激光场可以使得原子势发生畸变，而电子可以隧穿通过畸变后的势垒而电离。Therearetwowaysofconqueringamountain.Inclassicalphysics,onemustclimbthemountaintogettotheotherside.Thatisnotthecaseinquantumphysics:objectscansimplycrossthemountainhorizontally-bytunnellingthroughit.

隧道电离1965年，Keldysh提出了一定条件下另外一种不非顺序双电离（Nonsequentialdoubleionization）隧道电离的电子被激光场驱动与母离子发生非弹性碰撞，当电子的最大动能大于原子的第二电离能时，会导致第二个电子电离。非顺序双电离（Nonsequentialdoubleio隧道电离的决定性参数——Keldysh参数γ>>1

多光子过程highfrequency and/orlowintensity<<1

隧道电离 lowfrequency and/orhighintensity“dc-tunnelingpicture”Ip

：原子电离势Up:原子的有质动能“photondescription”隧道电离的决定性参数——Keldysh参数γ>>1当激光强度继续增大到连基态也成为非束缚态，这种现象成为过势垒电离（over-the-barrierionization）。过势垒电离当激光强度继续增大到连基态也成为非束缚态，这种现象成为过势垒应用举例应用举例飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。

1999年10月12日,瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予埃及和美国双重国籍的物理化学和化学物理学家AhmedH.Zewail,以表彰他在利用飞秒激光脉冲研究化学反应方面的开拓性工作应用1－－超高速测量飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快应用1－－超高速测量作为探测光源作为泵浦光源应用1－－超高速测量作为探测光源作为泵浦光源应用1－－超高速测量应用1－－超高速测量超高速探测－－飞秒化学激发分子产生化学反应探测荧光等产物分子水平的化学反应—两束飞秒激光分子发生化学反应的时间只有几十到几百飞秒超高速探测－－飞秒化学激发分子产生化学反应探测荧光等产物分子超高速探测－－半导体超快过程研究超高速探测－－半导体超快过程研究超高速探测－－半导体超快过程研究超高速探测－－半导体超快过程研究应用2－－获得阿秒脉冲物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光，产生β射线激光，产生正负电子对应用2－－获得阿秒脉冲物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常阿秒脉冲的重要应用阿秒脉冲的重要应用阿秒脉冲是短波长脉冲对于给定的波长，最短的脉冲为一个光周期.如果你想要得到更短的脉冲,最有效的办法是减小它的波长!单光周期红外脉冲:单光周期的紫外光脉冲:对于800-nm波长的光场而言，其光周期为2.7fs.而光周期为1fs的光场则需要300nm的波长.阿秒脉冲是短波长脉冲对于给定的波长，最短的脉冲为一个光周期.高次谐波（HighHarmonicGeneration）原子或分子在超强激光（1013W/cm2）的照射下辐射出高能光子的现象。最早由McPherson和Ferray,等人在试验中观测到。gasjetAmplifiedfemtosecondlaserpulsex-rays高次谐波（HighHarmonicGeneration）高次谐波的两个重要应用短波长XUV相干光源。（波长~4nm)

目标：提高高次谐波的频率及效率。阿秒X射线光脉冲。（脉宽~10-18s）

目标：减小阿秒脉冲的脉宽，增加阿秒脉冲的强度。高次谐波的两个重要应用短波长XUV相干光源。（波长~4nm)高次谐波具备阿秒脉冲产生的必要条件波长能达到XUV波段。频谱等间隔分布。足够宽的谱带(>1015Hz)。空间上良好的相干性。实现起来容易且稳定。MaybeHHGjustnaturallyproducesattosecondpulseswithouteventrying…高次谐波具备阿秒脉冲产生的必要条件波长能达到XUV波段。Ma4.3nmScience278,661(1997)超短驱动脉冲+高电离能介质超短脉冲激光能有效抑制原子的电离率，而保证高能谐波光子的获得。超短脉冲驱动的极紫外高次谐波水窗波段4.3nmScience278,661(1997)超短应用3－－飞秒激光微加工高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。应用3－－飞秒激光微加工高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、大幅降低手术风险在传统板层刀手术中，如果刀片旋转过程中发生负压环松脱等意外，角膜瓣的制作将彻底失败，手术只能等三个月以后再做，给患者和医生带来极大的心理压力。而“飞秒激光”手术如出现类似意外的情况，医生只需将负压环再次戴上，立即补充激光即可，不需中断手术。因为飞秒激光在制作角膜瓣时，只产生一些水和气泡推开角膜组织，对组织无损伤，可对同一患处进行多次手术，安全性大大提高。嵌入式角膜瓣，复位更准确。板层刀是水平切削的，而眼球表面是一个球体，所以制作的角膜瓣剖面呈“杯盖”型，与眼球基体的固着性不够好；而飞秒激光制作的角膜瓣与眼球基体呈“地下井盖”型嵌入式咬合，复位轻松咬合紧密，不会错位，更不会出现碎瓣、纽扣瓣等并发症。同时，它的激光光源也避免了因使用板层刀可能导致的金属碎屑残留应用4－－生命医学治疗近视应用4－－生命医学治疗近视飞秒用于生物医学避免医源性感染。无接触。“飞秒激光”使人类第一次在角膜手术上离开了板层刀，手术过程中发生交叉感染的情况就成为了历史。术后视觉质量更完美“飞秒激光”可以精确地打开眼部组织分子链，制作出更均匀更完美的角膜瓣，有效避免了板层刀制瓣可能出现的医源性像差等，避免了雾天、下雨天以及夜晚开车等视物条件下出现的眩光、模糊等情况，让近视者获得趋于完美的视觉质量。“全激光”手术，精确度提高百倍。“飞秒激光”能把角膜瓣制作的精确度控制在10－15微米以内，其精确度是板层刀的100多倍，这是板层刀望尘莫及的，对任何患者来说都是更安全的。不受角膜曲率影响，矫治范围更广泛过去受角膜厚度影响，有近10%的患者因近视太深、角膜太薄，基本无法接受传统的LASIK等激光手术。而Intralase飞秒激光手术不受角膜曲率的影响，对角膜偏薄、角膜曲率变异大的近视患者来说是一大福音飞秒用于生物医学避免医源性感染。无接触。“飞秒激光”使人类第应用5－－其它应用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，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。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。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。应用5－－其它应用高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放飞秒激光微制造技术加工材料种类有限；难以实现三维结构的加工；工艺复杂，加工柔性不好。目前倍受重视的信息业、先进制造业、材料科学与生物技术的发展都有向极端方向发展的趋势，研究的尺度与器件的尺寸越来越小，集成度越来越高，响应速度越来越快，这就要求有极端的技术来支撑。当前，微纳米加工技术主要是硅基加工技术，随着微纳米技术的不断发展，硅基加工技术的局限性也越来越明显。

飞秒激光微制造技术正逐步发展成为一种能够对材料进行微纳米操纵的精密处理工具！

飞秒激光微制造技术加工材料种类有限；目前倍受重视的信息业、先飞秒激光微细加工的特点加工过程的非热熔性加工程度的准确性加工尺寸的亚微米特性和三维空间分辨性加工材料的广泛性加工能量的低耗性飞秒激光微细加工的特点加工过程的非热熔性长脉冲作用与短脉冲作用的比较1.通过热激发或光激发（包括单光子和多光子电离）产生导带电子；2.导带电子通过焦耳加热和雪崩电离在光场中吸收能量，形成等离子体；3.等离子体通过电子声子耦合，把能量传递给晶格。4.晶格被加热，物质融化和升华。5.物质的热扩散和声冲击波引起周围物质结构变化。纳秒——微秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含1－5皮秒——纳秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含1－4飞秒——光脉冲与物质作用时间包含1－3材料光学击穿(breakdown)可以分五个主要过程长脉冲作用与短脉冲作用的比较1.通过热激发或光激发（包括单光超短脉冲和长脉冲激光微细加工的比较LongpulseShortpulse(1)加工过程热影响极小，几乎不对周边材料造成损害，加工区域极其精确并具有高度可重复性。与长脉冲比较，飞秒激光加工的边缘极其整齐和精确，并能克服热效应所带来的一切弊端。

超短脉冲和长脉冲激光微细加工的比较LongpulseSho(2)加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等，可生成亚微米精细结构一般激光加工，其横向尺寸大于激光波长，这是由于衍射规律的限制。飞秒激光也受衍射规律的限制，其焦斑尺寸不可能小于半个波长。但由于其峰值功率极高，和物质相互作用时主要是多光子过程。由于激光的强度在空间上一般呈高斯型分布，如果调节入射激光束，使得只有焦斑的中心强度刚好满足材料的多光子电离阈值，则加工过程中的能量吸收和作用范围就被仅限于焦点中心位置处的很小一部分体积内，而非整个聚焦光斑所辐照的区域，加工尺度可远远小于焦斑，达到亚微米级。通过精确调节脉冲能量，甚至可使加工区域达到几十纳米。

(2)加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等，可生成亚微米(3)飞秒激光加工能够在透明材料内部制备三维微结构将聚焦强度位于阈值附近的飞秒激光聚焦到透明材料的内部空间，一方面，材料的透明特性使得光束的共振线性吸收可以忽略；另一方面，较低的光束强度又无法满足材料的多光子非线性吸收要求。因此光束几乎可以毫无衰减地到达材料内部的聚焦点。唯有在聚焦点才能获得较高的功率密度，发生多光子吸收和电离，从而实现材料内部三维空间上任意部位的超精细加工。

(3)飞秒激光加工能够在透明材料内部制备三维微结构将聚焦强度(4)加工材料范围广，几乎可精密加工任何材料。

飞秒激光加工过程中，脉冲的超高峰值使得材料对入射激光进行多光子吸收而非共振吸收，这就形成加工过程具有确定而依赖于材料中的原子特性的阈值特性。加工对象无材料选择性。飞秒激光可以精密微细加工玻璃、陶瓷、各种电介质材料、各种半导体、聚合物以及各种生物材料乃至生物组织。

(4)加工材料范围广，几乎可精密加工任何材料。飞秒激光加工飞秒激光与材料相互作用飞秒激光与材料相互作用第6章超快超强激光加工课件三维微结构制备三维微结构制备纳米牛纳米牛第6章超快超强激光加工课件飞秒激光透明材料内部改性与光子器件微制备飞秒激光在透明材料内部诱导的折射率改变可制备光子器件飞秒激光透明材料内部改性与光子器件微制备飞秒激光在透明材料内玻璃内部光波导玻璃内部光波导玻璃内部光栅第6章超快超强激光加工课件Microscopeimageofthegridgrating(a)andsquaregrating(d)bylinescanningofthefemtosecondlaser,with2.0μJ,velocityof10μm/s,periodof5.2μmand4passes;(b),(c)and(d),(f)aretheir0-order,and1-orderdiffractionpa