超短脉冲激光及其应用详解精品PPT课件
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超短脉冲技术
，在一个周期内有2N个零值点，2N+1个极值点。
在t=0和t=2L/c时，A(t)取得极大值，此时A(t)=（2N+1)E0
在t=L/c时，A(t)取得极小值，此时N为偶数时，A(t)=E0，
N为奇数时，A(t)=-E0。 除了t=0，L/c及2L/c点之外，A(t)具有2N-1次极大值。 由于光强正比于A2(t)，所以在t=0和t=2L/c时的极大值，称为主脉冲。在两个 相邻主脉冲之间，共有2N个零点，并有2N-1个次极大值，称为次脉冲。
被动锁模
1 工作原理 由于染料的可饱和吸收系数随光强的增加而下降，所以高增益激光器所产生的高 强度激光能使染料吸收饱和。图3.3—1示出了激光通过染料的透过率T随激光强度 I 的 变化情况。强信号的透过率较弱信号的为大，只有小部分为染料所吸收。强、弱信号 大致以染料的饱和光强 Is来划分。大于Is的光信号为强信号，否则为弱信号。 在没有发生锁模以前，假设腔内光子的分布基本上是均匀 的，但还有一些起伏。由于染料具有可饱和吸收的特性， 弱的信号透过率小，受到的损耗大，而强的信号则透过率 大，损耗小，且其损耗可通过工作物质的放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料和工作物质一次。其强弱信号的强 度相对值就改变一次，在腔内多次循环后，极大值与极小 。 值之差会越来越大。脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰部分 能有效地通过，则使脉冲变窄。
Eq (t ) Eq cos(qt q )
式中 ωq和 φq 分别是第q个模式的角频率和初相位，
Eq——第q个纵模的电场振幅
多纵模自由振荡激光器的输出特点
• 各纵模的初相位φq 无确定 关系，完全独立随机。 • 相邻纵模之间的频率间隔 不严格相等。 • 输出光强呈现随机的无规 则起伏，平均光强是各纵模 光强之和。
《超短脉冲技术》课件
超短脉冲的波形控制
脉冲整形技术
通过改变脉冲的波形，实现脉冲能量的优化分配 ，提高脉冲的稳定性和可靠性。
脉冲压缩技术
通过光学元件的色散效应，将长脉冲压缩成短脉 冲，提高脉冲的峰值功率。
脉冲多路复用技术
将多个超短脉冲组合在一起，实现更高的输出功 率和更广泛的调谐范围。
超短脉冲的稳定性问题
1 2
模式跳变
激光雷达与测距
• 激光雷达与测距：超短脉冲激光雷达是一种高精度、高分辨率 的测距和定位技术。它利用超短脉冲的宽光谱和高重复频率特 性，能够实现高精度的距离和速度测量，被广泛应用于地形测 绘、无人驾驶、气象观测等领域。
原子分子光谱学研究
• 原子分子光谱学研究：超短脉冲 技术为原子分子光谱学研究提供 了新的手段。由于超短脉冲的宽 光谱特性和高峰值功率，它能够 产生瞬时的强光场，从而实现对 原子分子高分辨率和高灵敏度的 光谱测量。这种技术被广泛应用 于物理、化学和天文学等领域。
光纤损耗
光纤中的折射率不均匀、光纤弯曲和 杂质等都会引起光波散射，导致脉冲 能量损失。
空气损耗
超短脉冲在空气中传输时，会被空气 中的分子和气溶胶粒子吸收和散射， 造成能量损失。
04
超短脉冲的应用实例
超快光学成像
• 超快光学成像：超短脉冲技术被广泛应用于超快光学成像领 域。由于超短脉冲的极短持续时间和高峰值功率，它能够产 生瞬时的光场，从而在极短的时间内对物质进行高分辨率和 高灵敏度的成像。这种技术被广泛应用于生物医学、材料科 学和物理学等领域。
光纤放大
利用掺杂光纤作为增益介质，通过泵浦光激发电子-空穴对，实现 信号光的放大。
固态晶体放大
利用固态晶体中的非线性效应，实现信号光的放大。
超短脉冲激光技术-PPT
2N+1个纵模锁模后得输出:
2N+1个振荡得模经过锁相以后,总得光场变为频率为ω0得调幅
波。振幅Ａ(t)就是一随时间变化得周期函数
为讨论方便,假定α = 0,则
7个纵模锁定后得输出光强
具有如下性质:
(1)激光器得输出就是间隔为τ=2L/c得规则脉冲序列
(2)每个脉冲得宽度
1 2N 1
1 q
,可见增益线宽愈宽,愈可能得到
驰豫振荡产生得激光脉冲得特点: l脉冲得峰值功率低 l增大抽运能量只会增加小尖峰得个数 l脉宽度约为ms量级
驰豫振荡示意图
调Q原理
驰豫振荡脉冲能量低得原因在于每个脉冲总在阈值附近产生
要产生高能量脉冲,必须控制腔内损耗,即调节腔内得品质因数Q
设法在光泵浦初期将激光器内得振荡阈值调高,从而抑制激光振 荡,使工作物质得上能级粒子数得到积累。随着光泵得继续激励, 上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时,突然将器件得阈值调低, 那么,积累在上能级得大量粒子便雪崩式地跃到激光下能级,从而 获得贬值功率极高得激光脉冲输出。
被动锁模原理
在没有发生锁模以前,假设腔内光子得分布基 本上就是均匀得,但还有一些起伏。由于染料 具有可饱与吸收得特性,弱得信号透过率小, 受到得损耗大,而强得信号则透过率大,损耗 小,且其损耗可通过工作物质得放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料与工作物质一次。其 强弱信号得强度相对值就改变一次,在腔内多 次循环后,极大值与极小值之差会越来越大。 脉冲得前沿不断被削陡,而尖峰部分能有效地 通过,则使脉冲变窄。
可饱与吸收体得吸收特性
被动锁模过程
Intensity
Short time (fs)
k= 1 k= 2 k= 3
k= 7
2N+1个振荡得模经过锁相以后,总得光场变为频率为ω0得调幅
波。振幅Ａ(t)就是一随时间变化得周期函数
为讨论方便,假定α = 0,则
7个纵模锁定后得输出光强
具有如下性质:
(1)激光器得输出就是间隔为τ=2L/c得规则脉冲序列
(2)每个脉冲得宽度
1 2N 1
1 q
,可见增益线宽愈宽,愈可能得到
驰豫振荡产生得激光脉冲得特点: l脉冲得峰值功率低 l增大抽运能量只会增加小尖峰得个数 l脉宽度约为ms量级
驰豫振荡示意图
调Q原理
驰豫振荡脉冲能量低得原因在于每个脉冲总在阈值附近产生
要产生高能量脉冲,必须控制腔内损耗,即调节腔内得品质因数Q
设法在光泵浦初期将激光器内得振荡阈值调高,从而抑制激光振 荡,使工作物质得上能级粒子数得到积累。随着光泵得继续激励, 上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时,突然将器件得阈值调低, 那么,积累在上能级得大量粒子便雪崩式地跃到激光下能级,从而 获得贬值功率极高得激光脉冲输出。
被动锁模原理
在没有发生锁模以前,假设腔内光子得分布基 本上就是均匀得,但还有一些起伏。由于染料 具有可饱与吸收得特性,弱得信号透过率小, 受到得损耗大,而强得信号则透过率大,损耗 小,且其损耗可通过工作物质得放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料与工作物质一次。其 强弱信号得强度相对值就改变一次,在腔内多 次循环后,极大值与极小值之差会越来越大。 脉冲得前沿不断被削陡,而尖峰部分能有效地 通过,则使脉冲变窄。
可饱与吸收体得吸收特性
被动锁模过程
Intensity
Short time (fs)
k= 1 k= 2 k= 3
k= 7
超短激光脉冲——锁模技术概要PPT课件
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超短激光脉冲的应用
• 飞秒激光微加工（适用于各种类型材料）
—喷墨打印机的硅喷嘴
—激光冷烧蚀(ablation)-固体直接气化而不提高温度
—金属表面深度发黑处理（飞秒激光脉冲使金属表面改形而形成 纳米结构）
• 高精度外科切除，周围组织的损伤随脉冲持续时
间的缩短而减小。
• 眼角膜外科:飞秒激光在角膜中造成泡状物
十一模同位相
第13页/共23页
第14页/共23页
锁模方法
• 1966年，梅曼演示世界上第一台激光器6年之后De Maria.等人做出第 一台锁模激光器（可饱和吸收体自锁）
• 主动式锁模:主动式锁模通过调制腔损耗或者调制往返相位改变
实现锁模（如图）
声光调制器为最常用方法：电信号驱动的 正弦调幅（AM）对每个纵模进行调制。
式将 呈现周期性地相长干涉—产生强的光脉冲爆（burst）—
锁模或锁相。
2L (L为腔长往返时间)
脉冲的时间间隔为
c 1
• 每个脉冲的持续时间由同位相振荡的模式数目决定，如果N个 模式被锁定，频率间隔为∆ע，则整个锁模带宽为 N∆— ע该带 宽越宽，脉冲持续时间越短。
第7页/共23页
激光腔模
（2）从两个含时间的函数开始：
个例如
已知，测量 F (t)
F和' (t)
，其中一
将直接给出另一个
F (t )
G( )
F ' (t)来自其中为延时，G( )
为一阶相关函数：
G( )
F '(t)F(t )dt
要测一个时间事件需要更短的时间事件。
—对于超短 持续时间的脉冲，脉冲用于测量它自己！
超短激光脉冲的应用
• 飞秒激光微加工（适用于各种类型材料）
—喷墨打印机的硅喷嘴
—激光冷烧蚀(ablation)-固体直接气化而不提高温度
—金属表面深度发黑处理（飞秒激光脉冲使金属表面改形而形成 纳米结构）
• 高精度外科切除，周围组织的损伤随脉冲持续时
间的缩短而减小。
• 眼角膜外科:飞秒激光在角膜中造成泡状物
十一模同位相
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锁模方法
• 1966年，梅曼演示世界上第一台激光器6年之后De Maria.等人做出第 一台锁模激光器（可饱和吸收体自锁）
• 主动式锁模:主动式锁模通过调制腔损耗或者调制往返相位改变
实现锁模（如图）
声光调制器为最常用方法：电信号驱动的 正弦调幅（AM）对每个纵模进行调制。
式将 呈现周期性地相长干涉—产生强的光脉冲爆（burst）—
锁模或锁相。
2L (L为腔长往返时间)
脉冲的时间间隔为
c 1
• 每个脉冲的持续时间由同位相振荡的模式数目决定，如果N个 模式被锁定，频率间隔为∆ע，则整个锁模带宽为 N∆— ע该带 宽越宽，脉冲持续时间越短。
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激光腔模
（2）从两个含时间的函数开始：
个例如
已知，测量 F (t)
F和' (t)
，其中一
将直接给出另一个
F (t )
G( )
F ' (t)来自其中为延时，G( )
为一阶相关函数：
G( )
F '(t)F(t )dt
要测一个时间事件需要更短的时间事件。
—对于超短 持续时间的脉冲，脉冲用于测量它自己！
第三章 超短脉冲技术
当分子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0 ,A’(t)=0
1 1 1 1 (2 N 1)sin( t ) cos[ (2 N 1)t ] cos( t )sin[ (2 N 1)t ] 2 2 2 2
1 1 (2 N 1)tg ( t ) tg[ (2 N 1)t ] 把方程化简： 2 2
Eq (t ) Eq cos(q t q )
E 式中 q和 q 分别是第q模的角频率和相位， q －第q模的电场振幅，q －激 qc 光器内2N＋1个振荡模中第q个纵模数，而不是 q 纵模序数。 2L
1.激光器输出特性
①各振荡模的振幅和相位无规则分布
Eq ---中心频率处的振幅大，远离中心小，且它们之间变化
无规律。 q ---各模的初相位，在 ~ 之间分布， 或 q 1 q 常数。 对于不同的时间，每个模的 振幅和相位也有变化， q 随时间漂移。
图3.1-2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构模, (a)-非锁模, (b)-理想锁模
②输出的光强是各个纵模无规叠加。 输出的光强是各纵模光强的无规叠加，接收到的光强是时间的 平均值。
N
总光强的平均值是各纵模光强之和的1/2。 相位分布对输出光强有影响的， q 不同，各模不相干。 假定在一般激光器中设法使相邻两纵模间的位相固定。 相位有规律。 q 1 q 常数 由于各相邻模之间的频率间隔是固定的，<纵模条件> 各模的振动方向（偏振光）或振动方式（自然光）对于一定激 光器是相同的。 各振荡模具备了上述三个条件，各模光波变成相干波。 c q 因此输出的光波可能是一序列的脉冲形式。对于 2L 每一脉冲来说，脉宽窄了，峰值功率大大增加，锁相 激光器－锁模。
Lecture超短脉冲的测量PPT课件
E(t) Mirror
Beamsplitter
Input pulse
E(t–)
SHG Lens crystal Filter
Slow detector
Developed by J-C Diels
Diels and Rudolph,
Ultrashort Laser
Pulse Phenomena,
[E(t) E(t )]2 E(t ) E(t )
光电子技术精品课程
第10页/共11页
感谢您的观看！
光电子技术精品课程
第11页/共11页
Outlines
➢ Intensity Autocorrelation ➢ Single-shot autocorrelation ➢ Third-order Autocorrelation ➢ Intensity Cross-Correlation ➢ Interferometric Autocorrelation
Iaconis and Wa光lm电sl子ey技, J术Q精E品3课5,程501 (1999).
第9页/共11页
SPIDER apparatus
Delay Line
M
Input
BS
Delay
Line
BS
Michelson Interferometer
Focusing Lens
Lens
SHG
Filter
光电子技术精品课程
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强度自相关器
Crossing beams in an SHG crystal, varying the delay between them, and measuring the second-harmonic (SH) pulse energy vs. delay yields the Intensity Autocorrelation:
Beamsplitter
Input pulse
E(t–)
SHG Lens crystal Filter
Slow detector
Developed by J-C Diels
Diels and Rudolph,
Ultrashort Laser
Pulse Phenomena,
[E(t) E(t )]2 E(t ) E(t )
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Outlines
➢ Intensity Autocorrelation ➢ Single-shot autocorrelation ➢ Third-order Autocorrelation ➢ Intensity Cross-Correlation ➢ Interferometric Autocorrelation
Iaconis and Wa光lm电sl子ey技, J术Q精E品3课5,程501 (1999).
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SPIDER apparatus
Delay Line
M
Input
BS
Delay
Line
BS
Michelson Interferometer
Focusing Lens
Lens
SHG
Filter
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强度自相关器
Crossing beams in an SHG crystal, varying the delay between them, and measuring the second-harmonic (SH) pulse energy vs. delay yields the Intensity Autocorrelation:
超短脉冲激光技术
超短脉冲激光技术超短脉冲激光技术（Ultrafast Laser Technology）是一种目前最具有前瞻性的新型激光技术，它主要应用于精密加工、光学通信、生物医学、能源科学等各个领域。
相较于传统的激光技术，超短脉冲激光技术具有更高的功率密度、更快的时间分辨率和更高的频率程度。
超短脉冲激光技术的产生主要是通过提供高峰值功率并将其压缩至几十或几百飞秒的时间尺度。
这种激光可以产生高达1激光焦耳（J）的脉冲能量和约500万瓦特（MW）的功率密度，之后只有十几个飞行透镜分离。
这种激光通常会产生光谱波长在750纳米至1550纳米之间的光脉冲。
由于超短脉冲激光技术的独特性质，它的应用领域十分广泛。
在材料科学方面，超短脉冲激光可以用于加工某些高强度和高温度材料。
例如，使用这种激光可以制造出更坚硬、更耐磨的表面，并可以制造出具有微米和亚微米级别的结构的高精度零部件。
另外，在化学研究领域中，超短脉冲激光技术可以帮助实现一些反应的速率控制和选择性，从而有助于新材料的开发和绿色化合物的制备。
超短脉冲激光技术在生物医学领域中的应用也十分广泛。
例如，在眼科行业中，使用这种激光可以进行准确的激光手术，帮助人们恢复视力。
而在生物科学方面，超短脉冲激光可以用于快速扫描对细胞内部分子进行成像，并帮助生物学家研究生物体如何发挥其生理作用。
总的来说，超短脉冲激光技术的发展，为我们的日常生活、工业生产、科学研究等各个领域都带来了巨大的贡献和影响。
在未来，超短脉冲激光技术的应用将更加广泛，同时也将为世界带来更多的科学和技术突破。
超短脉冲激光技术在精密加工领域应用超短脉冲激光技术在精密加工领域中的应用最为广泛和成熟。
精密加工的主要应用领域包括半导体、微电子、微机械、微流控芯片、纳米加工等领域。
超短脉冲激光技术在这些领域中的应用，主要表现在以下几个方面：1. 纳米级加工超短脉冲激光技术能够实现纳米级加工，尤其在光刻领域被广泛应用。
传统的光刻工艺主要通过紫外线光束照射在光刻胶上，进行光刻图形的制作。
超短脉冲激光器
最常用的克尔镜锁模是基于激光晶体材料,并利用非谐振条件下的非线性折射率,因此响应速度极快,是理想 的“快速吸收材料”。然而在很多情况下,连续振荡( CW)状态和锁模(ML)状态同时存在,振荡开始时为CW状态,而 ML状态不能自启动,因此为了确保ML状态,一般采用辅助手段。
SESAM被认为是目前最有效的方法之一。通过锁模获得的脉宽取决于谐振腔中的群时延色散。在固体激光器 中,增益介质晶体的物质色散比染料激光器的射流薄板(厚约0.2 mm)大一个数量级,因此必须利用色散补偿技术。 具体做法是采用损耗小的布儒斯特棱镜对或色散补偿镜对振荡器内的色散进行补偿。
( 2)有望作为工业设备应用的激光器。主要考虑用于测量和加工领域。利用短脉冲激光可获得理想的加工结 果,但要考虑设备的可靠性或维修性和成本等。近年来,随着锁模固体激光器可靠性的提高和高功率光纤激光器的 出现,人们对该领域的发展寄予厚望。
( 3)作为光信息通信系统器件的半导体激光器和光纤激光器。
3超短脉冲固体激光器
1超短脉冲激光技术的历史与现 状
在激光中,超短脉冲光的产生之所以重要是因为可以通过控制激光的相干光波产生脉冲光,其时间宽度超出电 子学所控制的范畴。从广义上讲,超短脉们对由闪光灯进 行脉冲振荡的红宝石激光器和掺Nd激光器产生的锁模超短脉冲光展开了实验性研究。从此,短脉冲光的产生技术 从锁模亚皮秒脉冲步入到飞秒脉冲。近年来,超短脉冲光技术得到了普及,自20世纪90年代以来,各种可调谐超短 脉冲锁模固体激光器达到了实用化。可调谐激光器是一种激光下能级处于振动激发状态,使振荡频带加宽的光子限 定激光器(Photon terminatedlaser)。典型的钛宝石激光器的工作稳定,实现了平均输出功率为1 W的超短(最短 约为5 fs)脉冲光。若采用掺Yb离子的激光晶体,则可获得更高平均输出功率的亚皮秒脉冲输出。半导体激光器具 有弛豫快,可对泵浦(电流)进行高速调制的特点,因此即使不用锁模,利用增益过渡现象也可产生皮秒区( 1010~10- 12 s)的超短脉冲光。
SESAM被认为是目前最有效的方法之一。通过锁模获得的脉宽取决于谐振腔中的群时延色散。在固体激光器 中,增益介质晶体的物质色散比染料激光器的射流薄板(厚约0.2 mm)大一个数量级,因此必须利用色散补偿技术。 具体做法是采用损耗小的布儒斯特棱镜对或色散补偿镜对振荡器内的色散进行补偿。
( 2)有望作为工业设备应用的激光器。主要考虑用于测量和加工领域。利用短脉冲激光可获得理想的加工结 果,但要考虑设备的可靠性或维修性和成本等。近年来,随着锁模固体激光器可靠性的提高和高功率光纤激光器的 出现,人们对该领域的发展寄予厚望。
( 3)作为光信息通信系统器件的半导体激光器和光纤激光器。
3超短脉冲固体激光器
1超短脉冲激光技术的历史与现 状
在激光中,超短脉冲光的产生之所以重要是因为可以通过控制激光的相干光波产生脉冲光,其时间宽度超出电 子学所控制的范畴。从广义上讲,超短脉们对由闪光灯进 行脉冲振荡的红宝石激光器和掺Nd激光器产生的锁模超短脉冲光展开了实验性研究。从此,短脉冲光的产生技术 从锁模亚皮秒脉冲步入到飞秒脉冲。近年来,超短脉冲光技术得到了普及,自20世纪90年代以来,各种可调谐超短 脉冲锁模固体激光器达到了实用化。可调谐激光器是一种激光下能级处于振动激发状态,使振荡频带加宽的光子限 定激光器(Photon terminatedlaser)。典型的钛宝石激光器的工作稳定,实现了平均输出功率为1 W的超短(最短 约为5 fs)脉冲光。若采用掺Yb离子的激光晶体,则可获得更高平均输出功率的亚皮秒脉冲输出。半导体激光器具 有弛豫快,可对泵浦(电流)进行高速调制的特点,因此即使不用锁模,利用增益过渡现象也可产生皮秒区( 1010~10- 12 s)的超短脉冲光。
激光技术第五讲PPT课件
第一节 锁模基本原理
超短脉冲激光的脉宽在ps到fs量级，通过锁模技术产生，是对微观 世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段，并在激光加工领 域有重要应用。
6.1.1 多模激光器的输出特性
先讨论未经锁模的多纵模自由运转激光器的输出特性。对腔长为L
的激光器，其纵模的频率间隔为
q
q1
q
c 2L
自由运转激光器的输出一般包含若干
作业：用MATLAB画出A(t)和A2(t)，取N=3，E0=1，L=100mm。 两个主脉冲的间隔恰好是一个光脉冲在腔内往返一周的时间，所 以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲在腔内来回传播。
At
E0
sin
1 2
2
1
sin
1 2
t
t
次脉冲
主脉冲
多个纵模锁模的结果，出现了下列有意义的现象：
2cos N (t )
和
cos cos 2
cos
sin
1 2
c
os
1 2
sin 1
1
2
t
则
cos(t ) cos[2(t )]
sin[ 1 N ( t )] cos[ 1 ( N 1)( t )]
cos[N (t )] 2
2
sin[1 (t )]
利用声光或电光调制器均可实现振幅调制锁模，损耗调制的频率 为c/2L，调制周期正好是光脉冲在腔内来回一周的时间。将调制 器放在腔的一端。
6.1.3 锁模的方法
除了锁纵模以外，还可以锁横模，或纵横模同时锁定。但锁纵模 是主流，本章主要讨论以下几种锁模方式
1. 主动锁模 周期性调制谐振腔的参量，当选择的调制频率与纵模间隔相等 时，所有的模达到同步，形成锁模系列脉冲。
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生物医疗领域
飞秒激光具有“冷”加工、能量消耗低、损伤小、准确度高、 三维空间上严格定位的优点，最大限度地满足了生物医疗的 特殊要求：①手术风险低，可对同一患处进行多次手术，治 疗愈合周期短；②相比传统手术刀，医源性感染少；③全激 光手术，无刀胜有刀，精确度高；④无痛，无并发症。
①在牙齿、隐形眼镜上钻孔，边缘干净、无损伤；②非 热性手术切割烧蚀脑组织；③纳米切割人体染色体；④ 制作血管支架，力学性能好，可望解决血管再狭窄问题， 即治疗冠心病；⑤飞秒激光飞行质谱DNA排序；
光子晶体
微型光学回路
光子晶体
光存储:使用高分辨率存储无疑会增加记录密度，而采用超短 激光进行亚微米级操作会得到更好的效果。其特点： ✓ 快速的数据读、写、擦写、重写； ✓并行数据随机存取； ✓相邻数据位层间串扰小； ✓存储介质成本低; ✓三维立体光存储技术。
✓微通道的制备聚合物力学性能好，具有生物相容性，而 且飞秒激光光束几乎可以毫无衰减地到达透明材料内部的 聚焦点，入射激光唯有在该点位置才能获得较高的功率密 度，发生非线性多光子吸收和电离，实现材料内任意部位 三维微结构的直写。道壁光滑且没有裂纹，没有损坏透明 材料表面，这种微通道将广泛用于生物医学技术如DNA 拉伸、微统计分析系统等。
在金属薄膜上，钛宝石飞秒激光加工制备出了微纳米级阵列孔，孔径最小达2.5μm， 孔直径在2.5～10μm间可调，最小间距可达10μm，很容易实现10~50μm间距调整。
金属掩模板加工
利用飞秒激光超衍射极限加工有效地修补了金属镉掩模板的 缺陷，修复的线宽达到小于100 nm的精度。 对微电子技术（集成电路）的发展将具有重要意义。
锁模脉冲序列
时间
532 nm 泵浦光
泵镜
透镜
Ti:S
输出镜
棱镜
凹面反 射镜
高反镜 棱镜
飞秒激光振荡器结构图
啁啾脉冲放大技术
三、超短脉冲激光应用
飞秒激光加工
超短、超强是飞秒激光的特点。飞秒激光脉宽可短至4飞秒 以内，峰值功率高达拍瓦量级(1.0PW=1015W)聚焦功率密度 达到1020~1022W／cm2。飞秒激光可以将其能量全部、快速、 准确地集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、 塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工，具有其它激光 加工无法比拟的优势：
激光加工； 激光医学手术； 强场激光与物质相互作用； 激光核聚变； ……
1.01015W 聚焦功率密度:1020~1022W／cm2
二、超短脉冲激光及其放大技术
超短脉冲激光产生必须有足够的光谱作为支撑。 1）要让被放大的激光包含足够的光谱宽度； 2）要让这些光谱分量的激光同相位。
1）锁模； 2）色散补偿。
飞秒激光治疗近视
一、飞秒激光制作的角膜瓣，切削的角膜瓣厚度均匀一致，瓣 的厚薄和直径都可以设定，可控性非常好，损伤的神经和血管 较少，大大减少了术后干眼症的发生率。 二、全激光手术，完全避免了交叉感染的可能。 三、飞秒激光误差小，医生可以根据患者的角膜情况进行设置 角膜瓣的厚度，厚薄完全在医生的精确掌控中，因此，术前即 可准确预测剩余角膜基质床的厚度，这对合理地设计手术方案、 保证手术安全更为有利。 四、飞秒激光制作角膜瓣，能够完全避免金属角膜刀制瓣时可 能出现的破碎瓣、游离瓣、纽扣瓣、医源性交叉感染、医源性 像差等并发症，并能将术后发生干眼症的概率降低。
对光栅提出了更高的要求：①不同几何形状排列，如六角阵列光栅；②在 光纤内部刻划，如Bragg(布拉格)光纤光栅。 传统加工方法工序繁杂、制作的光栅稳定性差、寿命短。飞秒激光微加工 克服了这些缺点，永久性改变折射率，改变量高达0.05，实现直接刻划， 顺应了现代光栅微型化和多样化的发展趋势。
光纤光栅
光子晶体器件：新型的微纳光子集成器件，新一代光子器 件。飞秒激光双光子效应，加工精度高，是制备光子晶体 的理想选择。
光钟的诞生铺平了道路。
光通信领域
利用计算机精密控制飞秒激光加工平台，可以在材料内部的 任意位置制得任意形状的二维、三维或单模光波导。
与离子注入法和热扩散型离子交换法等目前常用的制作方法相比，
飞秒激光制作波导在室温环境下进行，过程简单，波导结构 在高温时仍能保持良好的质量和稳定性。
光波导
光栅在光通讯、色散补偿、光纤传感等领域中发挥着不可替 代的作用。
时间
超短脉冲激光有什么特点呢？
时间宽度非常短。
可以用于处理持续时间非常的物理化学过程： 瞬态成像； 超快光开光； 高速光通信……
光谱含量非常丰富。
可以用于激光光谱检测： 脉冲整形； 通信中的光谱编码； ……
光脉冲的峰值功率非常高。
脉冲功率=脉冲能量/脉冲时间宽度
时间
1kHz、40fs、0.71012W的激光系统
①耗能低，无热熔区，“冷”加工； ②可加工的材料：从金属到非金属再到生物细胞组织； ③不会出现加工面的熔融、裂缝现象。高精度、高质量、高 分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限； ④非接触，无飞溅无熔渣、无污染、不需特殊的气体环境和 无后续工艺。
飞秒激光加工微结构
飞秒激光加工具有孔边缘清晰、表面干净等特点
金属纳米颗粒加工
金属纳米颗粒加工：与其它激光脉冲相比，飞秒激光改变的 金属颗粒尺寸大小和特定形状。
复杂的微结பைடு நூலகம்加工
长10m高7m立体公牛图
微小蜘蛛和恐龙模型
飞秒激光微加工技术在一些特殊领域具有广阔的应用：
➢钻孔、切割高热导性、高熔点金属 (如铼、钛等)和高硬度金刚石。 ➢ 安全切割一些高爆危险物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等， 避免了长脉冲激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，断面处没 有炸药熔化和反应的痕迹。但在研究切割雷管时，没有热效应，能 够安全切割。 ➢利用飞秒激光观测分析物理化学反应本质，有望控制核聚变，以 获得可控的无污染核聚变能源。 ➢将光频与波频联系起来的飞秒光梳技术，为更精确的频率机构一
超短脉冲激光及其应用
报告大纲
1）超短脉冲激光及其特点； 2）超短脉冲激光产生及其放大技术简介； 3）超短脉冲激光应用； 4）今后的发展趋势。
一、超短脉冲激光及其特点
什么叫超短脉冲激光？
一般指时间宽度小于10-12秒的激光脉冲。
10-12秒~皮秒；10-15秒~飞秒；10-18秒~阿秒
一般超短激光脉冲：~5飞秒~几百飞秒。