飛秒激光器的原理、結(jié)構(gòu)和作用是什么？
發(fā)布時(shí)間：2020-08-24 18:03
飛秒激光器是僅以千兆分之一秒左右的超短時(shí)間放光的“超短脈沖光”發(fā)生裝置。是一種可以滿足顧客需求的系統(tǒng)，飛秒激光器可工作于十分惡劣的工作環(huán)境。
飛秒激光器是什么？
飛秒激光器是僅以千兆分之一秒左右的超短時(shí)間放光的“超短脈沖光”發(fā)生裝置。飛是國(guó)際單位制詞頭飛托的縮寫(xiě)，1飛秒=1×10-15 秒。所謂脈沖光是僅在一瞬間放光。照相機(jī)的閃光的發(fā)光時(shí)間是1微秒左右（即百萬(wàn)分之一秒），所以飛秒的超短脈沖光只有其10億分之一左右的時(shí)間放光。眾所周知，光速是以30萬(wàn)千米每秒（1秒間繞地球7周半）無(wú)與倫比快的速度飛馳而過(guò)，但是在1飛秒期間連光也只不過(guò)前進(jìn)了0.3微米。
通常，我們用閃光攝影能夠剪下活動(dòng)物體的瞬間狀態(tài)。同樣如果用飛秒激光器閃光，則連以劇烈速度進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，都有可能看到其反應(yīng)的每個(gè)片斷。為此，可以使用飛秒激光器來(lái)研究化學(xué)反應(yīng)之謎。
現(xiàn)在飛秒激光器還應(yīng)用于物理、化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程等廣泛領(lǐng)域，特別是光與電子攜手，期待在通信或計(jì)算機(jī)、能源領(lǐng)域開(kāi)辟各種新的可能性。這是因?yàn)楣獾膹?qiáng)度幾乎可以毫不損耗地從一地到另一地傳輸大量信息，使光通信進(jìn)一步高速化。在核物理學(xué)的領(lǐng)域，飛秒激光器帶來(lái)了巨大沖擊。因?yàn)槊}沖光具有非常強(qiáng)的電場(chǎng)，在1飛秒內(nèi)有可能將電子加速到接近光速，所以，能夠用于加速電子的“加速器”。
飛秒激光器的原理及結(jié)構(gòu)
激光是基于受激發(fā)射放大原理而產(chǎn)生的一種相干光輻射。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，在沒(méi)有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子會(huì)自發(fā)輻射而產(chǎn)生光子。而在有外界作用下，則會(huì)增加兩種新的形式：受激輻射和受激吸收。激光是通過(guò)受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)放大的光，而光和原子系統(tǒng)相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在著自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收（在有外界作用下，自發(fā)輻射相對(duì)較弱，可以忽略）。
飛秒激光器為了能產(chǎn)生激光，就必須使受激輻射強(qiáng)度超過(guò)受激吸收強(qiáng)度，即使高能態(tài)的原子數(shù)多于低能態(tài)的原子數(shù)。這種不同于平衡態(tài)粒子分布的狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。也就是，飛秒激光器要產(chǎn)生激光，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的一個(gè)必要條件，而要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和產(chǎn)生激光還必須滿足三個(gè)條件：
①要有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，即激活介質(zhì)（這類物質(zhì)具有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)）；
?、谝斜匾哪芰枯斎胂到y(tǒng)給激活介質(zhì)能量，使盡可能多的原子吸收能量后躍遷到高能態(tài)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這一系統(tǒng)稱作激勵(lì)能源（或泵浦源）；
③要有光的正反饋系統(tǒng)——光學(xué)諧振腔，當(dāng)一定頻率的光輻射通過(guò)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)時(shí)，受激輻射的光子數(shù)多于受激吸收的光子數(shù)可使光輻射得到放大，要使這種光放大并且以一個(gè)副長(zhǎng)光子感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)受激發(fā)射光子的單次過(guò)程為主，還能形成高單色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必須使用光學(xué)諧振腔。
因此，常用飛秒激光器由三部分組成：激活介質(zhì)、激勵(lì)能源、光學(xué)諧振腔。
飛秒激光器的特點(diǎn)
飛秒激光器的主要特點(diǎn)是超高速和超強(qiáng)電場(chǎng)。飛秒激光脈沖的峰值功率非常高，一旦將這種光聚焦到很小的范圍內(nèi)就有可能無(wú)熱影響地照射材料使其直接電離，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。飛秒激光照射在材料上時(shí)，材料對(duì)光子的吸收機(jī)理與普通激光加工時(shí)的光子吸收機(jī)理不同。
在普通激光加工當(dāng)中，能量低時(shí)光子則不被吸收，而飛秒激光的光子密度較大，即使單光子的能量比吸收光譜的能量小也可能被材料吸收。飛秒激光加工通過(guò)聚光透鏡的聚光點(diǎn)產(chǎn)生多光子吸收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部的加工。而且飛秒激光照射時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱變形和熱變質(zhì)等損傷，也不會(huì)對(duì)隨溫度升高而產(chǎn)生物理變化的半導(dǎo)體材料、脆性材料造成損傷，并可實(shí)現(xiàn)高精密加工。
飛秒激光器的作用
眾所周知，物質(zhì)是由分子和原子組成的，但是它們不是靜止的，都在快速地運(yùn)動(dòng)著，這是微觀物質(zhì)的一個(gè)非常重要的基本屬性。飛秒激光器的出現(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動(dòng)過(guò)程。基于這些科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光器在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。由于飛秒激光器具有快速和高分辨率特性，它在病變?cè)缙谠\斷、醫(yī)學(xué)成象和生物活體檢測(cè)、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。
