超短脈衝(chong) 激光器已經在一些需要極高精度的商業(ye) 應用中發揮作用。IBM公司利用飛秒光器消除光刻掩模中大小僅(jin) 為(wei) 10nm的缺陷，以製作最先進的集成電路。在準分子激光原位角膜磨鑲術（LASIK）中，IntraLase公司開發的飛秒激光係統，能夠比傳(chuan) 統刀片更為(wei) 精確地切割角膜皮瓣。這些都是飛秒激光應用的先驅。新一代飛秒激光的應用包括：在矽中寫(xie) 三維波導、加工微流裝置，以及在活體(ti) 細胞內(nei) 無需在細胞膜上刺孔就可以進行手術。

    作用於(yu) 材料的超快效應

       用強脈衝(chong) 照射材料能夠激發非線性吸收過程，從(cong) 而改變材料的形態或鍵結構——引起局部膨脹、收縮，或改變材料內(nei) 部的折射率，以及燒蝕材料表麵。中佛羅裏達大學（University ofCentral Florida）的DavidRichardson稱：“我們(men) 確實是利用材料科學研究材料表麵。”理解這些結構變化，將有望開辟新的應用領域。

       對於(yu) 表麵燒蝕而言，超短脈衝(chong) 吸引人的地方是其更高的精度。脈寬大於(yu) 35ps的脈衝(chong) ，會(hui) 將熔化的材料噴濺到燒蝕區周圍，並且將周圍區域加熱以至產(chan) 生損傷(shang) 。飛秒脈衝(chong) 能夠將更高的峰值功率會(hui) 聚到更小的區域，產(chan) 生波長不敏感的非線性效應，從(cong) 而對材料進行燒蝕，並且幾乎對周圍的區域不會(hui) 產(chan) 生熱損傷(shang) ——這對掩模修複等高精度加工至關(guan) 重要。

       超短脈衝(chong) 在打孔方麵的應用也頗具吸引力，因為(wei) 它可以實現高厚徑比的小孔。去年五月的國際激光器和光電子學會(hui) 議（CLEO#p#分頁標題#e#）上，德國 FriedrichSchiller大學的研究小組報道了光纖放大激光器輸出的800fs脈衝(chong) ，能夠在脈衝(chong) 重複率接近1MHz的情況下，在幾微秒的時間內(nei) 在1mm厚的不鏽鋼上打孔。高重複率能夠確保殘餘(yu) 的脈衝(chong) 能量不會(hui) 在脈衝(chong) 間隙耗散到靶區以外，從(cong) 而減小打孔所需的脈衝(chong) 數。

       用超短脈衝(chong) 在透明固體(ti) 中製作三維結構具有廣闊前景。通過高數值孔徑透鏡對光束聚焦，能夠使表麵處的光強低於(yu) 損傷(shang) 閾值，但材料內(nei) 部焦點處會(hui) 聚的光強足以使材料結構發生變化。

       如果使用數值孔徑為(wei) 0.65的透鏡將40～150nJ的脈衝(chong) 聚焦，可以產(chan) 生閾值最低的非線性效應，它會(hui) 使材料的折射率變大。盡管研究人員對該過程的細節還並不完全清楚，但通常認為(wei) ，非線性吸收會(hui) 將焦點處在短時間內(nei) 加熱到熔點以上，此後玻璃迅速固化為(wei) 具有更高折射率的致密態。玻璃的兩(liang) 種特別性質對該效應起到貢獻——玻璃的密度隨溫度升高而增加，並且如果固體(ti) 快速冷卻的話，它將維持熱液體(ti) 所具有的更高密度。令一係列脈衝(chong) 入射到材料並同時移動焦點，可以寫(xie) 高折射率波導。Schaffer表示，重複率越高效果越好，因為(wei) 熔化以及冷卻動力學行為(wei) ，能夠消除脈衝(chong) 間的相對變化，從(cong) 而獲得損耗更低、更為(wei) 平滑的波導。

       在相同的聚焦條件下，150～500nJ更高功率的入射脈衝(chong) ，將導致交替的玻璃層內(nei) 折射率發生雙折射變化，從(cong) 而獲得納米尺度光柵。脈衝(chong) 會(hui) 在電磁場的一個(ge) 分量上消耗一個(ge) 玻璃薄層，並且消耗的玻璃會(hui) 轉移到相同分量的相鄰位置，在該過程中產(chan) 生平麵納米裂紋，排列方向取決(jue) 於(yu) 脈衝(chong) 的偏振方向。加拿大國家研究委員會(hui) 的研究人員通過實驗表明：利用偏振方向不同的光，能夠擦除並重寫(xie) 納米裂紋。該技術在全息數據存儲(chu) 方麵具有應用價(jia) 值。

       峰值功率更高的脈衝(chong) 將使玻璃蒸發，導致材料從(cong) 焦點處向外蒸發、並留下過密層包圍的空缺。空缺大小可以小於(yu) 波長，並且一係列脈衝(chong) 能夠在玻璃表麵下產(chan) 生諸如螺旋形等雜圖案。該效應可用於(yu) 加工內(nei) 部衍射透鏡或菲涅爾波帶片，它可以對通過玻璃的光束聚焦。密歇根大學超快光學中心的AlanHunt#p#分頁標題#e#稱，該效應還能用於(yu) 在玻璃內(nei) 製造微流通道。微流通道的直徑能夠小到20nm，但更大的通道更容易觀察。Hunt使用常規的光刻方法在玻璃表麵刻蝕平麵通道，但采用飛秒脈衝(chong) 製造三維結構。在加工過程中，他將玻璃浸沒在液體(ti) 中，以消除激光燒蝕通道產(chan) 生的碎片。

       飛秒激光脈衝(chong) 還可用於(yu) 精密的外科手術，因為(wei) 活體(ti) 組織在較短距離內(nei) 相對透明。目前該領域取得的最大成功是屈光手術中采用的準分子激光原位角膜磨鑲術（LASIK）。相比於(yu) 其他屈光性角膜切削術（PRK），LASIK的優(you) 點在於(yu) 能夠保留角膜的外層而不是將它燒蝕掉。但這需要首先用刀片切割角膜上皮，將其卷起後再用激光燒蝕角膜。這種切割過程帶來的問題，是導致LASIK病人出現並發症的主要原因。

       為(wei) 了改進上皮切割，加州大學Irvine分校的TiborJuhasz將飛秒激光脈衝(chong) 聚焦到角膜表麵下所需的深度處。首先在角膜下切割，然後向上切割以打開上皮。他建立了IntraLase公司，以對該技術進行商用推廣。該套激光係統造價(jia) 昂貴，並且需要病人支付額外的費用，但Shaffer稱這套係統物有所值。他說：“采用該療法的並發症發病率如此之低，以至於(yu) 按照統計確定度恒量幾乎測不出來。”

       飛秒激光外科手術在生物醫學研究方麵的應用尤為(wei) 引人注目。Schaffer稱：“在生物方麵，你做的很多事就是將一些東(dong) 西破壞，然後看看究竟會(hui) 發生什麽(me) 。”飛秒脈衝(chong) 能夠到達組織內(nei) 部並將目標結構破壞，如單個(ge) 神經細胞或亞(ya) 細胞結構。

       加州大學SanDiego分校的NozomiNishimura與(yu) DavidKleinfeld顯示了飛秒脈衝(chong) 能夠損傷(shang) 小血管，以模擬輕度中風。目前神經學家認為(wei) ，輕度中風是造成老年癡呆症的主要原因。重度中風的後果非常可怕，因為(wei) 它將損壞大片組織。然而輕度中風能以不同的方式影響較小的區域，因此受影響的細胞仍能獲得氧，但不能獲得葡萄糖。飛秒脈衝(chong) 使研究人員獲得了研究輕度中風最早的生物模型，這是人們(men) 在開發對症療法方麵邁出的至關(guan) 重要的一步。#p#分頁標題#e#

       在更為(wei) 基礎性的研究中，飛秒脈衝(chong) 還能破壞單個(ge) 亞(ya) 細胞結構。Hunt顯示了破壞具有定製生命周期的細胞內(nei) 某一細胞器官，能夠延長細胞的壽命。他還用飛秒脈衝(chong) 改變細胞分裂所涉及的力學結構，以研究這些結構起到的作用。

       前景展望

       誠然，飛秒脈衝(chong) 在許多潛在應用中存在局限性。與(yu) 改變材料的其他精密工具相似，飛秒脈衝(chong) 的速度比不上一些其他技術。Hunt稱光刻能夠以更快的速度寫(xie) 二維結構，但超短脈衝(chong) 在三維加工方麵更具優(you) 勢。但是目前光脈衝(chong) 還不能到達不透明材料的深處。

       然而，飛秒脈衝(chong) 在某些應用中具有顯著優(you) 點。這些應用涉及的範圍極廣，本文提到的隻是很少的幾個(ge) 方麵。據Richardson稱，隨著超快光纖激光器的迅速發展，其潛在的應用領域將受益頗多。相比於(yu) 統治飛秒激光領域多年的摻鈦藍寶石激光器而言，光纖激光器體(ti) 積小，造價(jia) 低，更加耐用並且性能穩定。製作新型結構的能力必將開辟更多的應用機會(hui) 。目前，Richardson正使用飛秒激光器加工光學波導，它可以將光耦合到在相同的集成裝置上製造的微流通道中 ——這是飛秒脈衝(chong) 的一種全新能力。