必读宝典超快激光器与应用大全-欢迎灌水,火热话题

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用一把极其精密的“刀”可以在一根头发上镂刻两个方形的洞.这把“刀”和我们通常所认识的刀可不一样，它的名字叫飞秒激光器.
为什么叫飞秒激光器呢?首先我们要了解飞秒的概念.飞秒是一种时间单位，1飞秒只有10－15秒.它有多快呢?我们知道，光速是3×108 m／s，而在1飞秒之内，光只能走0.3 μm，这只是不到一根头发丝的百分之一.
我们日常生活中的时钟时间的分辨率是秒，而这台激光器对时间的分辨率可以达到飞秒的程度，所以叫做飞秒激光器.当一台机器对时间的分辨率达到一定的程度时，它就可以看到许多我们平时用肉眼看不到的运动细节.比如，我们在影视器材的帮助下，就可以看到一个非常奇妙的世界.
飞秒激光器对时间的分辨率远远高于影视器材，经计算，这台飞秒激光器已经获得了人类在实验室中所能获得的世界上最短的脉冲.通过它，我们可以看到更快速、更微妙的运动，例如绿色植物的光合作用过程、细胞的分裂过程、电子围绕原子运动的过程等等.
但是，现在这些过程还无法形成影像，飞秒激光器只能以波纹的形式将它们展示出来.不过，专业人员还是可以通过飞秒激光器做许多事情的，目前，科学家正在研究如何将它应用于检查人体内的癌细胞.
由于飞秒激光器对空间的分辨率也是极高的，以至于可以追上围绕原子核运动的电子，并将它们一个个打掉，仅剩一个孤立的原子核存在.所以，飞秒激光器还被应用于精密雕刻，所以在一根头发上镂刻两个洞也就不新奇了.

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     飞秒激光器是仅以千兆分之一秒左右的超短时间放光的“超短脉冲光”发生装置。飞是国际单位制词头飞托(femto)的缩写，1飞秒=1×10-15秒。所谓脉冲光是仅在一瞬间放光。照相机的闪光的发光时间是1微秒左右(即百万分之一。秒)，所以飞秒的超短脉冲光只有其10亿分之一左右的时间放光。众所周知，光速是以30万千米每秒(1秒间绕地球7周半)无与伦比快的速度飞驰而过，但是在1飞秒期间连光也只不过前进了0.3微米。 　　通常，我们用闪光摄影能够剪下活动物体的瞬间状态。同样如果用飞秒激光器闪光，则连以剧烈速度进行化学反应的过程，都有可能看到其反应的每个片断。为此，可以使用飞秒激光器来研究化学反应之谜。
　　一般的化学反应是在经过能量高的中间状态，即所谓的“活性化状态”后进行。活性化状态的存在早在1889年已由化学家阿雷尼厄斯从理论上预言，但是因为是在极短瞬间存在，所以无法直接地观察。但是1980年代末通过飞秒激光器直接证明了它的存在，这是用飞秒激光器查明化学反应的一个例子。如环戊酮分子经活性化状态分解为一氧化碳与2个乙烯分子。
　　现在飞秒激光器还应用于物理、化学、生命科学、医学、工程等广泛领域，特别是光与电子携手，期待在通信或计算机、能源领域开辟各种新的可能性。这是因为光的强度几乎可以毫不损耗地从一地到另一地传输大量信息，使光通信进一步高速化。在核物理学的领域，飞秒激光器带来了巨大冲击。因为脉冲光具有非常强的电场，在1飞秒内有可能将电子加速到接近光速，所以，能够用于加速电子的“加速器”。
在医学上的应用
　　如上所述，在飞秒内的世界连光都被冻结得无法前进很远，但是即使这个时间尺度，在物质中的原子、分子以及计算机芯片内部的电子在电路内依旧运动。如果使用飞秒脉冲就能让其瞬间止住，研究发生了什么。除了闪光让时间止住外，飞秒激光器还能够在金属上钻出直径最小达200纳米(万分之二毫米)的微孔。这意味短时间内被压缩锁定在里面的超短脉冲光获得超高输出的惊人效果，而且对周围不产生额外损伤。再者，飞秒激光器的脉冲光能够极精细地拍摄对象的立体图像。立体图像摄影在医学诊断上具有非常用途，由此开辟了一门称之为光干涉断层学的新的研究领域。这是利用飞秒激光器拍摄活的组织、活的细胞的立体图像。例如，用非常短脉冲光对准皮肤，脉冲光在皮肤表面反射，有部分脉冲光射入皮肤中。皮肤内部由许多层构成，射入皮肤的脉冲光作为小脉冲光被弹回，从反射光中这些形形色色的脉冲光的回波，能够知道皮肤内部的构造。
　　此外，这项技术在眼科医学中有很大的实用性，能够拍摄眼睛深处视网膜的立体图像。医生以此能够诊断其组织是否有问题。这种检查不仅限于眼睛，如果用光纤将激光器送入体内的话，能够检查体内的各种器官的所有组织，将来甚至有可能检查是否变成了癌.
实现超精密时钟
　　科学家认为，如果使用可见光制成飞秒激光器的时钟，则能够比原子钟更精密地测定时间，并且在今后几年将作为世界最精确的时钟。如果时钟精确，那么也大大提高了用于汽车导航的GPS(全球定位系统)的精度。
　　为什么可见光能制造精确的时钟呢?一切钟表少不了摆和齿轮作运动，通过具有精确振动频率的摆的摆动，使齿轮转动秒钟，精确时钟也不例外。所以，欲要制造更精确的时钟，有必要使用更高振动频率的摆。石英钟(用晶体振荡代替摆的钟)比摆钟更准确，那是由于石英谐振器每秒振荡次数更多。
　　现在作为时间标准的铯原子钟，其振荡频率约是9.2吉赫(国际单位吉伽的词头，1吉=109)。原子钟是利用铯原子的固有振荡频率，用其振荡频率一致的微波代替摆，其精度是几千万年只差1秒。相比之下，可见光具有比微波振荡频率高出10万～100万倍的振荡频率，即用可见光能制造出精度高出原子钟百万倍的精密钟。现在已在实验室成功造出利用可见光的世界上最精确的钟。
　　借助这个精确钟可以验证爱因斯坦的相对论。我们将这样精确的钟一个放在实验室里，另一个放在楼下的办公室里，考虑可能出现的情况，经过一、二个小时后，结果正如爱因斯坦相对论所预言的那样，由于二层之间有不同的“引力场”，两个钟不再指向同一时间，楼下的钟比楼上的钟走得慢。如果用更精确的钟，或许那天连戴在手腕和脚踝上的表的时间都不一样。我们借助精确的钟表就能简单地体验到相对论的魅力。
光速减慢技术
　　1999年美国哈巴特大学的莱纳·豪教授成功地将光减速到每秒17米，是汽车都能追上的速度，其后又成功地减速到连自行车都能追上的程度。这个实验涉及物理学最前沿的研究，在本文仅介绍实验取得成功的两个关键。一个是构筑接近绝对零度(-273.15℃)极低温的钠原子的“云”，即称之玻色一爱因斯坦凝聚体的特殊气体状态。另一个是调节振动频率的激光(控制用激光)，用它照射钠原子的云，结果发生了不可思议的事情。
　　科学家首先借助控制用激光使脉冲光在原子的云中被压缩，速度极端地减慢，这时关掉控制用激光，脉冲光随之消失，载在脉冲光上的信息储存在原子的云中。接着再用控制用激光照射，脉冲光恢复，走出原子的云中。于是原先被压缩的脉冲重新又展宽，速度复原。脉冲光信息录入原子云中的整个过程与计算机中的读取、储存、复位是何等地相似，因此这个技术有助于量子计算机的实现。
从“飞秒”到“阿秒”的世界

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完整的飞秒激光实验室系统包括:
包括飞秒光源（100万左右）；CPA（100-150万）这样能达到1-3mj两级，如果是100fs的话峰值功率就达到了10GW，所以还需要能量放大，达到100mJ这样就能达到TW量级。还需要（约100万）。 如果要建立飞秒与物质相互作用的实验室，需要加工平台（50万左右），建立纯净室（20万左右），光学平台（约15万），飞秒专用的镜子（5万），还要一些测量设备，脉宽测量设备（APE的自相关仪）+光谱测量（APE的光谱仪）+激光能量计这些有需要50万左右。
如果需要做强场物理（如阿秒的产生），还需要相位稳定仪（60-70万  memlo的）+相位测量设备（spider）30-40万

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顶尖科仪(中国)公司
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PulseCheck适用性相关仪最广的自相关仪

特点：
  1.即插即用；
  2.飞秒激光的直接测量；
  3.紧凑有效的结构设计；
  4.具有特殊的延时线，实现长脉冲的测量；
  5.独特的光路设计；
  6.菜单式选择功能和实时的显示脉宽；
  7.数据快速完成保存。

德国APE公司是世界上最大的超快附件生产商，它的主要产品包括各种测量超短脉冲时域宽度的自相关仪和测量位相的SPIDER，扫描光学延迟线，声光开关、选单、腔倒空、频移等调制器件，大功率皮秒OPO等。
1.	APE的自相关仪是世界上最有竞争力的产品，它分四种系列，分别是Micro、Mini、Pulse Check和Pulse Scope。
	(a)	Micro是体积最小、价格最便宜的一类，适于测量高重复率飞秒脉冲，如钛宝石或其它飞秒振荡器。
	(b)	Mini是标准自相关仪，最常用的飞秒CPA和OPA的脉冲宽度测量装置。测量可从小于20fs到3.5ps，波长420nm到1600nm可选。
	(c)	Pulse Check是适用性最广的自相关仪，它波长选择最广，可覆盖260nm到2000nm的范围，而且能测任意低的重复频率，能测从小于20飞秒到大于60ps的任意超短脉冲宽度。另外APE还推出超快光通讯的专用自相关仪Pulse Check TC，灵敏度可达10-7W2，详细参数见产品说明书。
	(d)	Pulse Scope是Pulse Check和一个光谱仪的集成，让您在监测脉冲宽度的同时，又能监测光谱。
	&#8226; PulseCheck自相关仪 PulseCheck适用性相关仪最广的自相关仪 特点：   1.即插即用；   2.飞秒激光的直接测量；   3.紧凑有效的结构设计；   4.具有特殊的延时线，实现长脉冲的测量；   5.独特的光路设计；   6.菜单式选择功能和实时的显示脉宽。 系统工作原理图： 参    数： 型号 15 50 150 SM 扫描范围 150 fs-15 ps 500 fs-50 ps 1.5ps-150ps 2.5ps-600ps 精度 < 1fs 2fs 6fs 10fs 最小测量脉宽 50fs 50fs 120fs 120fs 最大测量脉宽 3.5ps 12ps 35ps 150ps 扫描频率 13Hz 10Hz 7.5Hz 10ps/s 自相关作用方式 既可共线（8:1曲线）又可非共线（3:1曲线） 灵敏度 （PAV*PPEAK） PMT:10-4W2 (高灵敏度) PD：1W2 波长范围 VIS I 420-550 nm VIS II 540-750 nm NIR 700-1100 nm（标配） IR 1000-1600nm Cross I 360-450nm + 720-900nm Cross II 260-320 nm + 730-960 nm 输入光偏振态 水平偏振（偏振旋转器可附加） 最小激光 重复频率 标准产品：大于100Hz (小于10kHz的需要触发) 低重复频率选项：大于10Hz 电源 95-240V 50-60Hz 60W 显示屏 彩色LCD 320*240像素 输入信号 TTL < 10kHz 输出接口 RS232 可 选 项：     1．光谱仪；     2．FROG 附件（测量更短脉宽>20fs）；     3．短脉冲测量附件；     4．低重复频率测量附件（当重复频率小于100Hz时）；     5．计算机控制软件；     6．LabView 驱动；     7．USB和IEEE488驱动接口；     8．起偏器；     9．光纤输入。 &#8226; Mini 自相关仪 特点：   1.即插即用；   2.飞秒激光的直接测量；   3.紧凑有效的结构设计；   4.独特的光路设计；   5.测量脉宽的直接显示；   6.RS232的接口设计。 参    数： 型号 Mini 扫描范围 150 fs-15 ps 最小测量脉宽 50fs（ 〉20fs 可选） 最大测量脉宽 3.5ps 扫描频率 ≥10Hz 自相关作用方式 既可共线又可非共线 灵敏度 （PAV*PPEAK） PMT:10-4W2 (高灵敏度可选) PD：1W2 波长范围 VIS I 420-550 nm VIS II 540-750 nm NIR 700-1100 nm（标配） IR 1000-1600nm 输入光偏振态 水平偏振（偏振旋转器可附加） 最小激光 重复频率 〉100Hz 电源 95-240V 50-60Hz 8W 显示屏 普通LCD 240*128像素 输入信号 TTL < 5kHz 输出接口 RS232 可选项：     1．短脉冲测量附件（测量更短脉宽>20fs）；     2．计算机控制软件；     3．LabView 驱动；     4．USB附加接口；     5．起偏器；     6．光纤输入。 &#8226; Micro自相关仪 Micro是体积最小，价格最便宜的一类，适用于测量高重复频率的飞秒激光器。 特点：   1.即插即用；   2.飞秒激光的直接测量；   3.紧凑小巧的结构设计；   4.独特的光路设计； 参    数： 型号 Micro 扫描范围 200 fs-2 ps 最小测量脉宽 30fs（ < 20fs 可选） 最大测量脉宽 0.5ps 扫描频率 25 Hz 自相关作用方式 共线 灵敏度 （PAV*PPEAK） 1W2 波长范围 700-1100 nm（标配） 输入光偏振态 任意 最小激光 重复频率 100kHz 电源 95-240V 50-60Hz 6W 显示 外接示波器 可选项：     1．光纤输入。 Micro 尺寸示意图
2.	自相关仪选择向导：
1. 脉冲宽度考虑 2. 灵敏度考虑 3. 波长考虑 4. 脉冲重复率考虑
其它产品的详细资料，请下载以下PDF文件：

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飞秒激光的应用方向是非常多的，除了楼上介绍的时域光谱、泵浦探测、强场加速、微纳加工、生物组织切割等以外，还可以在激光超声、荧光成像、太赫兹发生、精密授时、频率梳、高频率光纤通信等很多方面应用。但是由于每一种应用的要求是各不相同，所以使用的产品也是各不相同的。楼上介绍的那套完整的激光放大系统，属于较高能量和峰值功率的基于钛蓝宝石振荡器和放大器的，比较适合于强场应用。但是在其他一些应用中就不是完全必需的。

此外，近年来出现的一些新型飞秒激光器，如光纤飞秒激光器和半导体直接泵浦晶体飞秒激光器的结构相对要简单，操作也比较简便，价格上更为低廉，也是未来飞秒激光器走向工业化的主力军。

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皮秒激光器切割金属薄板

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飞秒激光在透明材料精细微加工中的应用

西北大学学报(自然科学网络版) 2006 年5 月，第4 卷，第3 期                 Science Journal of Northwest University Online  May. 2006，Vol.4，No.3
飞秒激光在透明材料精细微加工中的应用

马琳1，石顺祥1，程光华2，陈国夫2
(1. 西安电子科技大学技术物理学院，陕西西安 710071；2. 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学技术国家重点实验室，陕西西安 710068)
摘要：对飞秒脉冲激光与透明材料相互作用的物理机制进行了详细分析。利用飞秒激光钛宝石
再生放大系统，从实验上详细研究了飞秒超短脉冲激光在三维光存储、光波导阵列以及光栅这3
种不同类型透明材料精细微加工与处理方面的具体应用问题。通过实例分析，揭示出飞秒脉冲激
光在微制备技术领域所具有的多功能性，最后进一步指出了利用飞秒脉冲激光进行材料处理的实
际用途。
关键词：飞秒脉冲激光；透明材料；精细微加工；材料处理；再生放大系统
中图分类号：TN249 文献标识码 A 文章编号：1000-274X(2006)0208-06
近几年来，飞秒超短脉冲激光在各种透明材料的精细微加工与微处理方面的具体应用问题受到了学界的广泛关注。许多研究证实，飞秒脉冲激光的微处理优于长脉冲激光，这是因为它能在热扩散发生前,在极短的时间内把能量沉积在材料里，其结果不仅导致熔化和凝固的热作用区域大大缩小，而且人们还能由此获得小的特征尺寸、高的空间分辨率和更好的纵横比。飞秒激光可加工的材料种类很多，包括金属、氧化陶瓷、树脂、半导体、聚合体和光学玻璃等[1, 2]。利用飞秒激光的这些特点和优势，人们能够对各种具有微米、亚微米和纳米量级特征尺寸的器件进行精细微加工和飞秒微处理，譬如人们可对医学器件、光子器件（光栅、波导）、微机械器件和光学掩膜[3-7] 进行精细微加工与飞秒微处理等。
必须指出的是：在熔融石英、PMMA 和树脂等材料中存在着几百纳米大小的多层位点结构——这种纳米量级的多层位点结构可用于三维光数据存储，由折射率变化所引起的光波导阵列存在精细微加工问题、以及低密度等离子体的体内光栅也存在制备与写入的微处理问题等；这些问题采用长脉冲激光很难得到圆满解决，而利用飞秒超短脉冲激光的精细微加工和微处理技术可以更好地解决。有鉴于此，本文利用钛宝石再生放大飞秒超短脉冲激光，重点研究了三维光存储、光波导阵列以及空间体光栅这3 种不同类型透明材料的精细微加工和飞秒微处理问题，由此获得了一系列既不同于现有报道又具有重要意义的新的结果和结论。
1 理论背景
1.1 物理机制
目前为止，尽管进行了大量的理论和实验研究，飞秒激光与透明材料相互作用的机制依然不很清晰。比较公认的解释如下[8]：飞秒激光紧聚焦在透明材料里时,能突破光束聚焦的衍射极限，如图1 所示，产生极高的脉冲峰值功率密度，导致亚微米级的结构变化。具有宽能带宽度的透明材料一般情况下在可见、红
收稿日期：2006-01-11 基金项目：中国科学院知识创新基金项目（40001043） 审 稿 人：杨志勇，男，西安电子科技大学教授，博士激光束
  透镜
Ith
透明材料
外区是透明的。这是因为单个光子的能量小于价带与导带间的能带宽度。当飞秒激光与其作用时，情况发生了变化。通过多光子电离过程或者杂质缺陷的激励产生初始种电子，这些电子可以不断的线性吸收来自激光的光子运动到较高一级的导带，称这个过程为自由载流子的吸收。自由电子通过焦耳热过程或者反轫致辐射吸收能量，当吸收的能量大于材料的能带宽度时，电子与价带上的束缚电子发生碰撞传递能量，使价带的束缚电子跃迁到导带上。这些电子持续不断的吸收光子和相互碰撞，致使雪崩电离，最终形成等离子体。热等离子体的能量传递给晶格，导致材料的结构变化。这个过程有可能是冲击波的传播或热过程引起，但是结果都是沉积、折射率改变以及色心形成这样一些物理、化学和结构的改变。
1.2 飞秒激光的特点
首先对飞秒激光而言，非线性吸收所需的时间远远小于热等离子体的能量扩散到晶格中所需的时间，所以热扩散作用可以忽略。热弛豫是由热扩散长度来表征的，定义为Ld = (Dτ p )1/ 2 ，其中热扩散系数
D = K / pC0,k、p、Cρ 分别为材料的热传导率、密度及热容量。τp 为激光的脉冲宽度。即使是热扩散系数大
的金属，热扩散长度在1ps 的时间里也只有10nm 。这样能量在照射区积蓄，材料没时间熔化和再凝固，因此可获得高精度结构、高空间分辨率。
其次相对于纳秒脉冲激光烧蚀阈值的随机性，飞秒激光脉冲的能量常常高于1012W/cm2，可以通过多光子过程释放束缚电子，因此飞秒激光脉冲的烧蚀具有确定性，即有由材料的能带宽度来确定的精确阈值。因此控制激光的能量等于或稍大于烧蚀阈值，则可进行低于衍射极限的亚微米加工。
由于透明材料具有脆性，因此透明材料的加工必须避免热扩散引起的加工区周围的损伤和裂纹。长脉冲激光作用产生的热应力使透明材料在损伤的同时发生破裂并伴随熔化和飞溅的痕迹，故无法保证加工质量。而飞秒激光技术的以上特点决定了其能用于透明材料的精细微加工。在本文我们确定用钛宝石再生放大器产生的飞秒激光进行三维光数字存储、光波导阵列、及光栅的加工。
2 材料的精细微加工与飞秒微处理技术
用于实验的是一套自建的钛宝石啁啾脉冲激光放大系统（100μJ 的能量,100fs－2ps 的脉宽， 1kHz 5kHz 的重复频率）。实验装置如图2 所示：为了改善光束质量，光束首先经过空间滤波器（10μm 的针孔）， 由显微物镜和10× 的目镜组成的显微镜用来监控样品里聚焦的位置。用数码相机或CCD 照相机替代目镜用来记录。显微镜的光源是白光发光二极管。样品制备成6 个光学表面的立方体，这样可以从不同的方向观

图 2 实验装置图Fig. 2 The experimental setup
察激光和材料作用区域。用来移动样品的是计算机控制的三维移动平台（X 方向的分辨为100nm ／步，Y 方向125nm ／步，Z 方向7nm／步。）。所有信息由光学相衬显微镜读出。激光脉冲为单次脉冲作用。三维光数字存储
信息科学的迅猛发展，使得人们对数据存储的容量和密度的要求也越来越高。超大容量、超高密度的数据存储研究成为重要的研究热点之一。
利用图2 装置，我们用飞秒激光在熔融石英里三维光记录了多层位点阵，每个点的半径小于300nm， 每点占1×1×2μm 的体积，相应的存储密度为500G/cm3。在透明材料里获得了高存储密度。图3 为单脉冲能量为400nJ 200fs 的超短激光脉冲束经数值孔径NA=0.85 的显微物镜在熔融石英中产生的多层记录位点阵列的正、侧面相衬光学显微镜图像。位点间的间距为1μm，层与层的间距为2μm。

a 沿光束传播方向观察的正面图b 垂直光束传播方向的观察的侧面图
图3 记录位点阵的显微图
Fig.3 Image of bits recorded in fused silica

利用微透镜阵列对单脉冲能量500μJ，重复频率1kHz 的近红外飞秒激光聚焦，在PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）和树脂里三维记录了具有高对比度的球状位点。激光在平面内多次交叉的照射，使得容量可达到几G/cm3。通过空间光调制器能够调制二元信息，位点的尺寸与微透镜阵列匹配，经CCD 并行读出。利用位点这样的实验特性能加工光学衍射元件。图4 为飞秒激光在PMMA 里写入位点的显微像。点与点之间的间距是20μm。
目前的光存储以光盘存储为主，都是二维存储。由于受到维度的限制，密度和容量的提高受到限制。

图4  PMMA 里写入点的显微像
Fig.4 Image of bits induced in PMMA
进一步提高数据的存储密度，充分利用存储介质的空间，三维体存储是首选的技术。飞秒激光应用于三维光数字存储，是由于飞秒激光具有高峰值功率、小的脉冲能量，在同透明材料相互作用时，热积累小，非线性效应强，利用飞秒脉冲激光对光学介质的非线性作用，能引起透明介质体内某空间位置上结构的改变，导致介质折射率发生较大的变化可以在任何透明介质里记录多层逐位式二进制数据，记录点小于衍射极限。飞秒激光在透明介质如玻璃、PMMA 内导致材料结构变化是相当稳定的。能够实现长寿命、高密度立体数字存储。
实验中利用两种读出系统，完成了位点的高信噪比读出。一种读出系统是带有电荷耦合器件（CCD） 的相衬光学显微镜。其对比度足以可靠的读出存储的信息。缺点是建立一套这样紧凑的系统较难，且CCD 的快门速度限制了读出速度。另一种为透射共焦读出系统，原理基于数据点的光散射。为了获得高信噪比，最重要的是读出光束聚焦点的尺寸与数据点的直径要匹配。这样要求读出激光器的波长短，聚焦物镜具有长工作距离，高数值孔径。
2.1 光波导阵列
飞秒激光紧聚焦在透明介质里，由于极高的峰值功率密度，在聚焦区亚微米范围内引起折射率的改变：照射中心部分的折射率增加了。这样的变化加上飞秒激光通过多光子吸收具有的高度空间选择性。扫描飞秒激光聚焦点的位置，在透明材料里形成一条线，可任意加工光波导及其阵列。对脉冲宽度、扫描速度及激光功率密度等参数调控，可以得到适合的光波导芯半径、折射率分布。如图5，实验中我们在熔融石英中写入了长度为5mm 的光波导，由He-Ne 激光测定近场模式，发现只是以基模传播，光强度的近场分布为高斯分布。

图5  写入波导的显微图及633nm 入射时光波导的近场模式
Fig.5 Micrograph of the good waveduides (left) and the near-filed pattern (right) at 633nm
2.2 光栅
利用高强度的飞秒钛宝石放大激光器激励的低密度等离子体的形成，在各种各样的光学玻璃（重钡火石、ZK6 和K9）体内写入了衍射光栅。用 40× 、NA=0.65 的显微物镜将激光脉冲紧聚焦到ZK6 玻璃中，以单脉冲能量2μJ, 移动速度为200μm/s, 写入条纹间距为2μm 的体内光栅。图6 是其衍射花样及衍射强度

图6  He-Ne 激光照射光栅时的衍射花样及相应的衍射强度分布
Fig.6 Diffractive pattern, and diffractive intensity of the writing grating from the top down at 633nm 分布。我们写入的光栅结构稳定性好，在常温下保持4 个月后其衍射性质不变。在制作光栅时通过加深光栅中折射率改变区域的深度，如写入多层光栅结构，发现衍射效率有了明显的改善。
3 结论
目前，具有小的特征尺寸和微结构的各种透明材料已被广泛应用于许多领域，如电子、光通信、材料及医学等。随着光子集成技术和微光子器件单片集成技术的进一步发展，人们对上述透明材料的特征结构和特征尺寸提出了更高的要求。特别是，飞秒超短脉冲激光由于在透明介质处理方面所具有的诸多优点，使得人们能够将其应用于三维微系统的精细微加工与微处理领域之中，这就为光子集成和微光子器件单片集成技术的深入发展奠定十分必要的基础。
本文对飞秒超短脉冲激光与上述3 类透明材料相互作用过程中所产生的非线性光学效应及其物理机制进行了详细分析。结果发现：飞秒超短脉冲激光不仅能使透明材料产生新的精细微结构，而且飞秒激光的精细微加工与微处理技术还可进一步用于各种材料的处理及各种类型的加工过程之中。在实验中，我们首先重点研究了三维光数字存储、光波导阵列及光栅等材料的精细微加工与微处理问题，最后在对实验结果进行概括总结的基础上给出了相应的物理诠释。本文的研究结果，对于飞秒三维微制备技术在光通讯和微电子技术等高科技领域的进一步应用具有重要的参考价值。


参考文献
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[2] LIU X, DU D, MOUROU G. Laser ablation and micromachining with ultrashort laser pulses[J]. IEEE J Quantum Electron, 1997, 33(10): 1 706-1 716.
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[8] KORTE F, ADAMS S, EGBERT A, et al. Sub-diffraction limited structuring of solid targets with
femtosecond laser pulses[J]. Opt Express, 2000, 7(2): 41-49. (编辑曹大刚)


The new application in precise processing and micromachining in transparent material using a femtosecond laser  

MA Lin1, SHI Shun-xiang1,CHENG Guang-hua2, CHEN Guo-fu2


(1. School of Technical Physics, Xidian University, Xi ’an 710071, China; 2. State Key Laboratory of Transient Optics and Technology, Xi’ an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710068, China) Abstract: The physical mechanisms of femtosecond laser –transparent materials interactions are analyzed in detail. With an amplified Ti-sapphire laser system, three kinds of precise micromachining including three dimensional data storage, optical waveguide network and grating using a femtosecond laser are researched in experiment. From examples, the versatility of femtosecond laser precise micromachining technique is demonstrated. Finally, the practical use of femtosecond laser materials processing is illuminated further.
Key words: femtosecond laser pulses; transparent material; precise micromachining; precise processing; an amplified Ti-sapphire laser system  

作者简介

马琳，女，汉族，1971 年 12 月生，陕西汉中人。1999 年7月毕业于陕西师范大学物理系光学专业，获理学硕士学位。2000 年9月至今，在西安电子科技大学技术物理学院物理电子学学科攻读博士学位，讲师职称。1998 年至今，分别在国内外重要学术刊物和国际学术会议上发表研究论文20余篇；其中被SCI收录3篇，被EI收录7篇。主要研究方向：非线性光学，超短脉冲激光技术，激光精细微加工和三维光数字存储技术。


本文引用格式为：
[ ]        马琳，石顺祥，程光华. 飞秒激光在透明材料精细微加工中的应用[J]. 西北大学学报（自然科学网络版），2006，4（3）：0208.

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