飞秒激光脉冲的特性和主要应用

飞秒激光脉冲如同时域的一个δ函数。但其独特之处并不仅限于其脉冲时间宽度极为短暂。飞秒激光在沿其自身传输方向上某一瞬间的空间尺度也非常之小。例如,一个50飞秒的激光脉冲在其传输方向上的空间延展Δz=Δt×c(c为光速)只有15μm。这意味着,当这样的脉冲聚焦时,可以将光汇集到极小的三维空间内,从而获得非常高的三维能量密度。此外,脉冲越短,光谱越宽。因此,与连续激光相比,飞秒激光是宽光谱的激光。飞秒激光在时域、空域和频域中的特点,决定了它在与物质相互作用时非常易于进入非线性作用的范畴。一般情况下,在几乎所有涉及飞秒激光的应用中,都离不开分析和考虑飞秒激光的时间特性、空间特性、频率特性以及由其引发的非线性特性。

飞秒激光的发展无论对科学探索和还是对技术发展都有着极其深远的影响。在科学方面,有飞秒化学、飞秒物理学(强场物理)、飞秒生物医学、飞秒计量学(光学频率梳)、阿秒科学(光波电子学)等全新的科学领域。在技术方面,有超快光通信、飞秒光电子器件(如半导体量子结构器件)、飞秒激光器及超短脉冲测量术、飞秒激光微纳加工、飞秒激光手术等。

科学技术的发展历史表明,光学的发展极大地拓展了人类的视野。尤其是,显微镜可以使我们看到肉眼无法分辨的微小物体,由此才有了对了解生命奥秘极为重要的微生物学,使人类对自然的认识进入到微观世界;望远镜的发展使我们可以观测到人的视力远不可及的遥远天体,从而有了真正意义上的天文学、天体物理,能够通过实验观测去研究、探索宇宙的奥秘;而超短脉冲激光系统则有助于我们捕捉人眼和任何其他已有的快速记录仪器所无法探测到的瞬变的事件,同时也为我们研究高能量密度下的物质形态提供了极其独特的手段。简而言之,显微镜使我们看到更细小的物质,望远镜让我们观测到更遥远的天体,超短脉冲激光系统则帮助我们揭示自然界中更快的变化过程以及更高能量密度下的物理事件。

下图给出了目前已知的一些超快速的物理、化学和生物变化现象的特征时间范围。注意,这张表是20年前发表的。当时还没有小于10-14秒即亚10飞秒的激光脉冲存在。而今天,科学家们已经能够获得80阿秒(图中左方竖直虚线所标示的时间刻度)的激光脉冲,并开始对微观世界中小于10飞秒的快速变化过程开展研究。

一些物理、化学和生物超快现象的特征时间范围

一些物理、化学和生物超快现象的特征时间范围

 超短脉冲激光为什么会与强场或高能量密度物理联系在一起呢?这是因为激光脉冲的峰值功率与脉冲宽度成反比。当脉冲宽度非常短时,只要有很少的能量就可以获得极高的峰值功率。当这样高峰值功率的激光聚焦时就可以得到非常高的光强。举例来说,假定一个激光脉冲的能量为100mJ,脉冲宽度为100飞秒,则峰值功率为1TW,即1012W。这已是一个巨大的瞬间功率!如果将这一激光脉冲汇聚到10μm见方的区域内,我们将得到:

如此巨大的光强只有在核爆中才可能存在,它对应的是难以想象的超高能量密度。(作为对比,盛夏时烈日下的光强仅有0. 13W/cm2!)实际上,目前,科学家们已经能够获得上百拍瓦(1拍瓦=1015W)量级的强光。这样强的光脉冲一经汇聚,其光强可以超出1023W/cm2,与此相应的峰值电场强度将是原子中原子核与电子间的库仑场的上千倍。利用超强超短脉冲激光,人们可以产生相干X射线和极短波长的电磁辐射源,可以开展受控核聚变研究,可以建立实验室天文学,探索物质真空态的本质。

以上我们简要描述了超短脉冲激光在超快速现象诊断和超强场与物质相互作用两个极端情况中的应用。不过,我们应该看到,在这两种极端物理现象的研究中,超快与超强并非一定相互关联。换言之,超快不一定超强,而超强并非一定超快。比如说,当脉冲宽度不是很短的情况下,通过增加脉冲能量也能够获得高的峰值功率。实际上,在脉冲宽度并不是极限般的窄,同时峰值光强也还没有达到所谓强场范畴的情况下,依然存在一个极其广泛的超短脉冲激光的参数空间,这一参数空间中可以找到一些非常独特的重要应用。例如,脉冲宽度在百飞秒至几十皮秒,脉冲能量在纳焦耳到几十微焦范围内的超短脉冲激光,在微纳加工和精密激光手术方面就有着不可替代的作用。

如果说作为探测工具,我们会希望超短脉冲激光的脉宽短、能量低,从而对被探测物体不产生损伤;而作为与物质相互作用研究,我们又希望脉冲能量尽可能高从而与物质有更强的相互作用,对于超短脉冲激光微纳加工和激光手术而言,则需要的是脉冲宽度和脉冲能量的优化值和最佳组合。与长脉冲激光情形相比,飞秒激光精密加工(激光手术可以看作是对生物组织的加工)的主要特点是它使用的激光脉冲只有非常低的单脉冲能量,对应极快速的升温和降温过程,整个加工或烧蚀限于极短的时间和极小的空间范围内,从而保障了更为精准的加工效果的获得。图2-4给出的是脉冲能量为1mJ、脉宽50飞秒的激光脉冲经过×10物镜聚焦后入射到金属铝靶表面后所拍摄到的照片。我们可以看到在加工区犹如一个微小尺度内的剧烈爆炸。

脉冲重复频率为100kHz的50飞秒激光脉冲烧蚀铝靶时在靶面产生的微爆炸

脉冲重复频率为100kHz的50飞秒激光脉冲烧蚀铝靶时在靶面产生的微爆炸

 我们可以很容易地估算在飞秒激光烧蚀作用下靶面的温度和压力。以铝靶为例,假定共有0. 2mJ的光脉冲能量在10μm见方、1μm厚的三维靶区域内被完全吸收,根据材料的密度和体热熔量可以得出这一区域的温升ΔT≈106K。如此高的温度所对应的压强将达到105 bar。假定激光脉冲宽度是100飞秒,则进一步的理论模拟可以估算出材料晶格的升温速率为1013K/s。由脉冲能量、脉宽和光束截面,我们可以确定在这样的一个具体例子中,焦点处的光强在1014W/cm2量级,对应的电场强度约为108V/cm。

最后,我们简要提一下一种由超短脉冲激光产生超短声波脉冲进而对薄膜材料内部结构或缺陷进行探测的技术。当具有一定强度(脉冲能量为纳焦耳量级)的超短激光脉冲垂直入射到固体样品表面时,激光能量被样品表面的金属涂敷层吸收并转变为热能,使表面被照射区域(及其邻近的一薄层气体)被快速加热,进而导致被加热区域的极度膨胀并在材料中产生很强的内应力和应变,从而形成超短声波脉冲。这种只有皮秒宽度的脉冲超声波源于很小的空间区域,具有短至纳米级的声波波长(对应于100GHz甚至THz量级的机械振动频率)。这一技术被用于微处理器芯片制造业中,对半导体薄膜集成电路进行检测,其检测精度可以达到纳米量级。

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