摘要：綜述了激光技術的新發展和研究的熱點，重點論述了飛秒激光技術的最新發展和它在生命科學、基因工程、信息科學、超微細加工及物理學等領域中的應用以及大功率激光技術的發展和它在國防軍(jun) 事領域中的應用。

關(guan) 鍵詞：激光技術；飛秒；大功率；發展與(yu) 應用

引言

激光又稱“雷射”，是受激輻射光放大之意。激光既具有光的一切特點，又具有單色性、相幹性、方向性和偏振性好、功率高及時間短等一般光源無法比擬的優(you) 點。因此，在1960年Maman首次報道激光輻射以來，激光技術在科學技術研究、工農(nong) 業(ye) 生產(chan) 、醫療衛生、國防軍(jun) 事等各個(ge) 領域中得到了廣泛地應用，巨大的應用前景有力地推動了激光技術自身的發展。近年來，在飛秒激光和大功率激光的研究中所取得的突破性進展使科學技術的許多領域發生了重大改革。

1 大功率激光器的發展與(yu) 應用

由於(yu) 世界各國國防現代化的發展和激光技術在軍(jun) 事上巨大的潛在應用價(jia) 值，使得大功率激光器的研究成為(wei) 熱點，20世紀70年代建造的“機載激光實驗室”采用了一台氣動CO2激光器，輸出功率可以達到400kW；研製的氟化氘化學激光器，輸出波長3.5μm，輸出功率町達到2.2MW。由於(yu) 化學氧碘激光器的輸出波長為(wei) 1.315Lm比氟化氘化學激光器的3.5μm和CO2激光器的10.6μm短許多，可以采用更小的光學係統來解決(jue) 激光束的大氣傳(chuan) 輸問題，因此化學氧碘激光器成為(wei) 一個(ge) 研究重點。機載化學氧碘激光器把過氧化氫溶液噴到氯氣中產(chan) 生放熱反應，產(chan) 生的熱量把氧激發到高能態，氧分子激發碘原子產(chan) 生粒子數反轉與(yu) 躍遷產(chan) 生激光輸出，它的輸出功率可達到3MW。

燃料的循環使用、高壓震動下的穩定運行和小型化的問題是研究的關(guan) 鍵。隨著固體(ti) 激光器的研究與(yu) 發展，全固化固體(ti) 激光器在軍(jun) 事領域裏也顯現出巨大的潛在應用價(jia) 值。目前全固化固體(ti) 激光器主要有二極管泵浦固體(ti) 激光器(diode-

pumping solid state laser，簡稱DPSSL)和固體(ti) 熱容激光器(solid-state heat capacity laser，簡稱SSHCL)。DPSSL具有波長短、效率高、光束質量好、體(ti) 積小及無化學危害等優(you) 點。它的調Q技術、鎖模技術、放大技術、冷卻技術和非線性頻率轉換技術是當前研究的熱點。SSHCL結構緊湊、有很好的熱特性和較高的效率，它的輸出能量E正比於(yu) 介質的質量m，熱容量c溫差T，即E=MCT。目前SSHCL研究的關(guan) 鍵技術是激光二極管陣列泵浦技術和矽單片微通道冷卻技術。

2 飛秒激光技術的發展與(yu) 應用

自1960年Maman首次獲得激光脈衝(chong) 輸出以來，人類對激光脈衝(chong) 寬度的壓縮過程大致可以分為(wei) 3個(ge) 階段：調Q技術階段、鎖模技術階段和啁啾脈衝(chong) 放大技術階段。啁啾脈衝(chong) 放大(chirped pulse amplification，簡稱CPA)是為(wei) 了克服固體(ti) 激光物質對飛秒激光放大時產(chan) 生的自聚焦效應而開發的一種新技術，它先對鎖模激光器產(chan) 生的超短脈衝(chong) 提供“正啁啾”，把脈衝(chong) 寬度展寬到皮秒甚至納秒量級進行放大，在獲得足夠的能量放大後再利用啁啾補償(chang) (負啁啾)的方法進行脈寬壓縮，啁啾脈衝(chong) 放大技術對飛秒激光的發展具有重要意義(yi) 。

1990年以前利用寬增益帶寬的染料激光器鎖模技術就已經獲得了飛秒激光脈衝(chong) 。但是，由於(yu) 染料激光器的維護管理極為(wei) 複雜，因此限製了它的應用。隨著鈦寶石晶體(ti) 質量的提高，用較短的晶體(ti) 也能獲得足夠高的增益，實現短脈衝(chong) 振蕩。1991年Spence等人首次研製出自鎖模鈦寶石飛秒激光器，獲得60fs的脈衝(chong) 寬度鈦寶石飛秒激光器的研製成功極大地促進了飛秒激光的應用與(yu) 發展。1994年，利用啁啾脈衝(chong) 放大技術又獲得了小於(yu) 10fs的激光脈衝(chong) ，目前借助於(yu) 克爾透鏡自鎖模技術、光學參量啁啾脈衝(chong) 放大技術、腔倒空技術、多通放大技術等可以使激光的脈衝(chong) 寬度壓縮倒1fs以下進入阿秒領域，激光的脈衝(chong) 峰值功率也從(cong) 太瓦(1TW=1012W)提高到拍瓦(1PW=1015W)。激光技術的這些重大突破在許多領域中引發了廣泛而深入的變革。

在物理學領域，利用飛秒激光所產(chan) 生的超高強度電磁場能夠產(chan) 生相對論中子，也能直接對原子和分子進行操作，在台式核聚變激光裝置上，用飛秒激光脈衝(chong) 照射氘氚分子團可引發核聚變反應，產(chan) 生大量的中子。飛秒激光與(yu) 水相互作用時，可以使氫的同位素氘發生核聚變反應，產(chan) 生巨大的能量。利用飛秒激光控製核聚變，可以獲得可控的核聚變能源。在宇宙物理學實驗室中，利用飛秒激光超高強度光脈衝(chong) 產(chan) 生的高能量密度等離子體(ti) 能在地麵上再現銀河和恒星的內(nei) 部現象。用飛秒時間分辨法能夠以飛秒的時間尺度清楚地觀察到置於(yu) 納米空間的分子及其內(nei) 部電子狀態的變化。

在生物醫學領域，由於(yu) 飛秒激光具有很高的峰值功率和功率密度，與(yu) 各種材料相互作用時往往導致多光子電離，自聚焦效應等各種非線性效應。同時，飛秒激光與(yu) 生物組織的相互作用時間和生物組織的熱馳豫時間(在ns量級)相比，顯得微不足道，對生物組織來說幾度的溫度上升會(hui) 變成壓力波傳(chuan) 到神經細胞產(chan) 生疼痛感，同時也對細胞造成熱損傷(shang) ，所以飛秒激光可以實現無痛無熱損傷(shang) 治療。飛秒激光具有能量低、損傷(shang) 小、準確度高並能在三維空間上嚴(yan) 格定位的優(you) 點，能最大限度地滿足生物醫學領域地特殊需要。把飛秒激光用於(yu) 牙齒的治療可以獲得沒有任何邊緣損傷(shang) 的幹淨整齊的孔道，避免了長脈衝(chong) 激光(如Er:YAG)造成的機械應力和熱應力的影響鈣化與(yu) 裂紋和粗糙的表麵。把飛秒激光應用於(yu) 生物組織精細切割時，通過光譜分析飛秒激光與(yu) 生物組織作用過程中的等離子體(ti) 發光，可以識別到骨質組織和軟骨組織，從(cong) 而確定和控製手術治療過程中所需要的脈衝(chong) 能量。這種技術對於(yu) 神經和脊椎手術具有重大意義(yi) 。波長範圍在630-1053nm的飛秒激光可對人腦組織實施安全、清潔、高精度的非熱性手術切割燒蝕。用波長為(wei) 1060nm，脈寬為(wei) 800fs，脈衝(chong) 重複頻率為(wei) 2kHz，脈衝(chong) 能量40μJ的飛秒激光可進行清潔、高精度的角膜切割手術。飛秒激光無熱損傷(shang) 的特點，對於(yu) 激光心肌血管重建術和激光血管成型術都具有重要意義(yi) 。2002年，德國漢諾威激光中心用飛秒激光在一種新的聚合物材料上完成了血管支架結構的突破性製作，這種血管支架和以往的不鏽鋼支架相比具有很好的生物兼容性和生物降解性，對冠心病的治療具有重要意義(yi) 。在臨(lin) 床檢測及活體(ti) 檢定中，飛秒激光技術能在微觀水平上自動完成對有機體(ti) 生物組織的切割，並獲得高清晰度的三維圖像。該技術對癌症的診斷治療和研究動物368遺傳(chuan) 基因的變異，具有重要意義(yi) 。

在基因工程領域。2001年德國的K.Konig等利用鈦寶石飛秒激光對人類的DNA(染色體(ti) )進行了納米級的操作(最小切割寬度100nm)。2002年U.irlapur和Koing利用飛秒激光在癌細胞膜上打一個(ge) 可逆性微孔，然後使DNA通過這個(ge) 孔進入細胞，以後細胞自身的生長封閉了該孔，從(cong) 而成功地實現基因轉移。這種技術具有可靠性高、移植效果好等優(you) 點，對於(yu) 移植外源遺傳(chuan) 物質進入包括幹細胞在內(nei) 的各種細胞具有重要意義(yi) 。在細胞工程領域，應用飛秒激光在活體(ti) 細胞內(nei) 實現了納米手術操作而未傷(shang) 及細胞膜。飛秒激光的這些操作技術對基因療法，細胞動力學，細胞極性，抗藥性以及細胞內(nei) 部不同成分和亞(ya) 細胞異質結構等方麵的研究都具有積極意義(yi) 。

在光纖通信領域，半導體(ti) 光電器件材料的響應時間是製約超商速光纖通信“瓶頸”，應用飛秒相幹控製技術町使半導體(ti) 光開關(guan) 的速度達到10000Gbit/s，最終能達到量子力學理論上的極限。此外把飛秒激光脈衝(chong) 的傅立葉波形整形技術應用於(yu) 時分複用、波分複用和碼分多址等大容量光通信中，能獲得1Tbit/s的數據傳(chuan) 輸速率。

在超微細加工領域中，飛秒激光脈衝(chong) 在透明介質中發生的強烈自聚焦效應使激光焦斑小於(yu) 衍射極限，在透明材料內(nei) 部產(chan) 生微爆炸現象，形成直徑為(wei) 亞(ya) 微米的立體(ti) 像素。利用這種方法，可以進行高密度的三維光學存儲(chu) ，存儲(chu) 密度可達到1012bits/cm3。並可以實現快速的數據讀、寫(xie) ，並行數據隨機存取。相鄰數據位層之間的串擾很小，三維存儲(chu) 技術已成為(wei) 當前的海量存儲(chu) 技術發展的一個(ge) 新的研究方向。光波導、分束器、耦合器等是集成光學的基本光學組件，利用飛秒激光在計算機精密控製的加工平台上，可以在材料內(nei) 部的任意位置製作出任意形狀的二維、三維的光波導、分束器、耦合器等光子器件，並能和標準光纖耦合，利用飛秒激光還可以在光敏玻璃內(nei) 部製作45°微型反射鏡，現已製作出由3個(ge) 內(nei) 部微型反射鏡組成的光學回路，可以使光束在4mmx5mm麵積內(nei) 轉270°。更具有科學意義(yi) 的是最近美國的科學家已用飛秒激光製作出一條長1cm的增益光波導，它在1062nm附近可產(chan) 生3dB/cm的信號增益。

光纖Bragg光柵具有有效的選頻特性，易於(yu) 和光纖通信係統耦合且損耗小，因此它在頻域中呈現出豐(feng) 富的傳(chuan) 輸特性，成為(wei) 光纖器件的研究熱點。2000年，Kawamora K等人首次利用兩(liang) 束紅外飛秒激光幹涉法得到表麵浮雕全息光柵。以後隨著製作工藝與(yu) 技術的發展，2003年M ihaiby．S等人采用鈦寶石飛秒激光脈衝(chong) 與(yu) 無零次相位板結合在通信光纖的纖芯上獲得反射Bragg光柵，它具有很高的折射率調製範圍和很好的溫穩定性。

光子晶體(ti) 是折射率在空間具有周期性調製的介電結構，它的變化周期和光的波長為(wei) 同一個(ge) 數量級。光子晶體(ti) 器件是一種全新的控製光子傳(chuan) 播的器件，已成為(wei) 光子學領域中一個(ge) 研究熱點。2001年，Sun H B等人利用飛秒激光在摻鍺二氧化矽玻璃內(nei) 製作出任意晶格的光子晶體(ti) ，它能單獨地為(wei) 單個(ge) 原子選址。2003年，Serbin J等人利用飛秒激光誘導無機有機混合材料的雙光子聚合現象得到結構尺寸小於(yu) 200nm，周期為(wei) 450nm的三維微結構和光子晶體(ti) 。

飛秒激光在微光子器件加工領域中取得的突破性成果，使在一個(ge) “芯片”上加工出包括方向連接口、帶通濾波器、多路複用器、光開關(guan) 、波長轉換器以及調製器等組件在內(nei) 的平麵光波環路成為(wei) 可能。為(wei) 光子器件代替電子器件奠定了基礎。

光掩模和光刻技術使微電子領域中的一個(ge) 關(guan) 鍵技術，它直接關(guan) 係到集成電路產(chan) 品的質量和生產(chan) 效率。利用飛秒激光可以對光掩模的缺陷進行修複，修複的線寬可以達到小於(yu) 100nm的精度，利用飛秒激光直寫(xie) 技術町以快速，有效地製造高質量的光掩模，這些成果對微電子技術的發展具有重要意義(yi) 。

3 結束語

科學技術的發展和激光技術巨大的應用介質極大地推動了激光技術自身的發展，現在激光的輸出波長已實現從(cong) 遠紅外到X射線的全波段調諧，輸出功率已經達到幾百千瓦，峰值功率已經達到PW(1PW=1015W)，激光的輸出脈衝(chong) 寬度已經壓縮到飛秒(1fs=1e−15s)並將進入阿秒(1as=10-18s)量。激光技術的快速發展與(yu) 應用，尤其是飛秒激光的發展與(yu) 應用導致科學技術的許多研究領域發生了重大的變革，加快了人類社會(hui) 由電子時代向光子時代邁進的步伐。