超快超強(qiáng)激光加工課件

第6章超快激光加工技術(shù)2013年秋·機(jī)電工程學(xué)院溫州大學(xué)研究生課程激光先進(jìn)制造技術(shù)第6章超快激光加工技術(shù)2013年秋·機(jī)電工程學(xué)院溫州大學(xué)研§5:超快激光與物質(zhì)相互作用及應(yīng)用1、

楊齊民鐘麗云呂曉旭編著,《激光原理與激光器件》,20032、相關(guān)文獻(xiàn)§5:超快激光與物質(zhì)相互作用及應(yīng)用1、

楊齊民鐘麗云呂曉飛秒激光峰值功率極高：1015W脈沖短：10－15s人類目前在實(shí)驗(yàn)室條件下所能獲得最短脈沖的技術(shù)手段聚焦光斑?。簃量級(jí)比全世界發(fā)電總功率還大聚焦功率密度大：1020～1022W/cm2電磁場(chǎng)的強(qiáng)度比原子核對(duì)其周圍電子的作用力還要高數(shù)倍精確的靶向聚焦飛秒激光峰值功率極高：1015W脈沖短：10－15s人類目物質(zhì)在飛秒激光的作用下會(huì)產(chǎn)生非常奇特的現(xiàn)象，氣態(tài)的物質(zhì)、液態(tài)的物質(zhì)、固態(tài)的物質(zhì)瞬間都會(huì)變成等離子體;用飛秒激光進(jìn)行加工，沒(méi)有熱效應(yīng)和沖擊波，在整個(gè)光程中都不會(huì)對(duì)基材造成損傷。

飛秒激光物質(zhì)在飛秒激光的作用下會(huì)產(chǎn)生非常奇特的現(xiàn)象，氣態(tài)的物質(zhì)、液態(tài)飛秒激光飛秒激光已成為科學(xué)探索的最有力的工具飛秒激光微加工技術(shù)將在超高速光通訊、強(qiáng)場(chǎng)科學(xué)、納米科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用和潛在的市場(chǎng)前景?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)飛秒激光將為下世紀(jì)新能源的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用。飛秒激光飛秒激光已成為科學(xué)探索的最有力的工具飛秒激光微加工技內(nèi)容提要超快激光技術(shù)超快激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)飛秒激光應(yīng)用舉例內(nèi)容提要超快激光技術(shù)超快激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)飛秒激光應(yīng)用舉超快激光技術(shù)超快激光技術(shù)脈沖激光技術(shù)調(diào)Q先關(guān)閉Q開關(guān)，使得激光器不能起振，使得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度迅速增大電光調(diào)Q：脈寬達(dá)到數(shù)ns數(shù)十ns；聲光調(diào)Q：脈寬達(dá)到數(shù)百ns在激光腔內(nèi)增加一個(gè)Q開關(guān)；打開Q開關(guān)，腔呈低損態(tài)，高Q值；關(guān)閉Q開關(guān),腔呈高損態(tài)，低Q值；當(dāng)打開Q開關(guān)時(shí)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度遠(yuǎn)大于高Q態(tài)的閾值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度，激光器開始起振脈沖激光技術(shù)調(diào)Q先關(guān)閉Q開關(guān)，使得激光器不能起振，使得粒子數(shù)脈沖激光技術(shù)鎖模腔內(nèi)存在單縱模和各種模式的組合鎖模就是將需要的那種組合模式選出來(lái)讓它振蕩，即增益相同時(shí)，讓它的損耗最小脈沖激光技術(shù)鎖模腔內(nèi)存在單縱模和各種模式的組合鎖模就是將需要鎖模激光器原理－腔內(nèi)波函數(shù)空間分布在三維自由空間中，波的運(yùn)動(dòng)方程式為：在矩形開放式的駐波腔內(nèi)，只考慮波函數(shù)空間分布：矩形截面光學(xué)諧振腔鎖模激光器原理－腔內(nèi)波函數(shù)空間分布在三維自由空間中，波的運(yùn)動(dòng)是垂直于Z軸（x,y平面）的光強(qiáng)分布鎖模激光器原理－－橫模駐波條件：得：分離值是垂直于Z軸（x,y平面）的光強(qiáng)鎖模激光器原理－－橫模由于腔邊沿存在嚴(yán)重衍射損耗，所以不能用正弦函數(shù)描述，而用高斯函數(shù)描述幾種低階橫模的光強(qiáng)分布和光斑圖TEMnm鎖模激光器原理－－橫模由于腔邊沿存在嚴(yán)重衍射損耗，所以不能用鎖模激光器原理－－縱?？v模：是光場(chǎng)沿Z方向的分布駐波波長(zhǎng)與腔長(zhǎng)l應(yīng)滿足如下關(guān)系則波矢給定一個(gè)q，對(duì)應(yīng)一個(gè)kz，分離的對(duì)于開放式諧振腔有：故有：縱波波長(zhǎng)即為光波波長(zhǎng)，縱波頻率即為光波頻率鎖模激光器原理－－縱?？v模：是光場(chǎng)沿Z方向的分布駐鎖模激光器原理－－縱模設(shè)有一個(gè)激光器，其中有n個(gè)縱模在振蕩，其中第n個(gè)縱模的電矢量為：都是腔內(nèi)允許存在的模式腔內(nèi)駐波條件鎖模激光器原理－－縱模設(shè)有一個(gè)激光器，其中有n個(gè)縱模在振蕩，鎖模激光器原理－－縱模多模場(chǎng)的電矢量E(t)是所有單模場(chǎng)電矢量的總和：相鄰兩個(gè)縱模的圓頻率間隔這些和是各種各樣的，取決于它們之間的相位，所有這些形式的組合實(shí)際就是各個(gè)縱模的不同形式的拍頻，它們同樣是腔內(nèi)允許存在的模式。鎖模激光器原理－－縱模多模場(chǎng)的電矢量E(t)是所有單模場(chǎng)電矢腔內(nèi)允許存在的縱模雖然有無(wú)數(shù)多個(gè)，但必須落在增益線寬內(nèi)的縱模，才有可能獲得增益；圖腔內(nèi)可能振蕩的最大縱模數(shù)只有增益足夠大，滿足閾值條件，才能夠在腔內(nèi)振蕩；增益線寬越寬，可能振蕩的模式數(shù)就越多；最大模式數(shù)不會(huì)超過(guò)：鎖模激光器原理－－縱模腔內(nèi)允許存在的縱模雖然有無(wú)數(shù)多個(gè)，但必須落在增益線寬內(nèi)的縱模鎖模激光器原理－－縱模組合研究一種簡(jiǎn)單組合，假設(shè)所有縱模的相位都相等且為零，即使這樣的求和也是很麻煩的。首先研究三個(gè)縱模。求和，即拍頻效應(yīng)：上述三個(gè)周期電場(chǎng)可分別用三個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量來(lái)表示，設(shè)它們的長(zhǎng)度都相同為A，而旋轉(zhuǎn)角速度分別為：鎖模激光器原理－－縱模組合研究一種簡(jiǎn)單組合，假設(shè)所有縱模的相鎖模激光器原理－－縱模組合以一角速度的動(dòng)坐標(biāo)來(lái)研究此問(wèn)題當(dāng)時(shí)：拍的峰值當(dāng)時(shí)：當(dāng)時(shí)：鎖模激光器原理－－縱模組合以一角速度的動(dòng)坐標(biāo)來(lái)研究此鎖模激光器原理－－縱模組合當(dāng)時(shí)：當(dāng)時(shí)：當(dāng)時(shí)：三模鎖相的拍頻隨時(shí)間變化三模鎖相的旋轉(zhuǎn)矢量模型鎖模激光器原理－－縱模組合當(dāng)時(shí)：當(dāng)鎖模激光器原理－－縱模組合n個(gè),每個(gè)巨脈沖的峰值為nA，空間間隔為2l,記為En(t)分為兩組求和,每個(gè)巨脈沖的峰值為nA/2，空間間隔為l，En/2(t)分為四組求和,每個(gè)巨脈沖的峰值為nA/4，空間間隔為l/2,En/4(t)鎖模激光器原理－－縱模組合n個(gè),每個(gè)巨脈沖的峰值為nA，空鎖模激光器原理－－縱模組合一直分下去，單個(gè)縱模。這些都是允許存在的模式腔長(zhǎng)隨機(jī)變化，相位也隨機(jī)，所以上述拍頻模式都存在，因此腔內(nèi)真實(shí)存在的模式：圖各種拍頻隨機(jī)出現(xiàn)時(shí)的腔內(nèi)模式無(wú)論其振幅和相位都在隨機(jī)變動(dòng)鎖模激光器原理－－縱模組合一直分下去，單個(gè)縱模。這些都是允許鎖模激光器原理－－簡(jiǎn)單原理讓腔內(nèi)只有一種拍頻模式存在，特別是只讓En(t)振蕩，而其余拍頻不能振蕩－－鎖模技術(shù)拍頻En(t)是一個(gè)周期為T的巨脈沖系列，比起調(diào)Q技術(shù)獲得的巨脈沖，它的脈寬更窄，峰值功率更高鎖模激光器原理－－簡(jiǎn)單原理讓腔內(nèi)只有一種拍頻模式存在，特別是鎖模激光器原理－－簡(jiǎn)單原理圖周期性損耗的調(diào)制開關(guān)在腔內(nèi)裝上一個(gè)周期性的損耗調(diào)制器：每隔T，開關(guān)打開一非常短的時(shí)間，使損耗減少到最小，剛好能夠讓巨脈沖En(t)通過(guò)，促后又回到高損狀態(tài)。En(t)模式能夠起振，而其他模式En/2(t)En/4(t)因損耗過(guò)大無(wú)法起振。鎖模激光器原理－－簡(jiǎn)單原理圖周期性損耗的調(diào)制開關(guān)在腔內(nèi)裝鎖模激光器原理－－脈沖基本參量鎖相脈沖峰值：鎖相脈沖時(shí)間寬度－－鎖相脈沖可能的最短脈寬三相n相增益線寬越寬，可參與振蕩譜線越多，脈寬越窄鎖模激光器原理－－脈沖基本參量鎖相脈沖峰值：鎖相脈沖時(shí)間寬度鎖模激光器原理－－脈沖基本參量n個(gè)縱模振蕩的激光器，在未鎖相的情況下:平均功率:鎖模峰值功率:鎖模巨脈沖的峰值功率為沒(méi)有鎖模時(shí)平均功率的n倍鎖模激光器原理－－脈沖基本參量n個(gè)縱模振蕩的激光器，在未鎖相主動(dòng)鎖模 周期性調(diào)制諧振腔損耗 振幅調(diào)制，相位調(diào)制被動(dòng)鎖模 可飽和吸收體同步泵浦鎖模 周期性調(diào)制諧振腔的增益自鎖模(Ti-Slaser)利用增益介質(zhì)本身的非線性克爾效應(yīng)鎖模，不需插入任何鎖模元件鎖模激光器原理－－鎖模方式幾百fs，如果需要更短脈沖，則脈沖壓縮主動(dòng)鎖模鎖模激光器原理－－鎖模方式幾百fs，如果需要更短脈鎖模技術(shù)本質(zhì)是在激光腔內(nèi)利用恢復(fù)時(shí)間十分快的高速快門，這種快門可由電信號(hào)驅(qū)動(dòng)（聲光調(diào)制器）或依靠材料特性，例如，可飽和吸收染料或激光器本身的非線性特性自動(dòng)形成。在釹玻璃或Nd:YAG激光器中，常用快恢復(fù)時(shí)間的可飽和吸收體如五甲川，十一甲川等染料作高速快門。這種染料吸收激光使激光器的閾值提高，但當(dāng)它吸收了足夠的光子達(dá)到飽和就不再吸收激光，因而對(duì)激光呈透明狀態(tài)，激光腔的損耗因而急劇減少，此時(shí)激光產(chǎn)生振蕩。由于其恢復(fù)時(shí)間極短，它很快又恢復(fù)到吸收狀態(tài)，阻礙激光發(fā)射。周而復(fù)始.鎖模激光器原理－－鎖模方式實(shí)現(xiàn)鎖模技術(shù)本質(zhì)是在激光腔內(nèi)利用恢復(fù)時(shí)間十分快的高速快門，這種快鎖模激光器原理－－克爾效應(yīng)克爾透鏡鎖模技術(shù)當(dāng)光強(qiáng)很強(qiáng)時(shí)，這種折射率的變化所引起的光的相位延遲不再可以忽略。光的折射率與光強(qiáng)有關(guān)：對(duì)于50m，2.5MW，800nm的激光，傳播1cm可產(chǎn)生的非線性相移，這等效于一個(gè)透鏡造成的光束自聚焦—高損耗效果相當(dāng)于快速可飽和吸收體鎖模激光器原理－－克爾效應(yīng)克爾透鏡鎖模技術(shù)當(dāng)光強(qiáng)很強(qiáng)時(shí)，這Ti:Sapphire晶體吸收和發(fā)射光譜發(fā)射譜：

600—1150nmDnG(增益帶寬)越寬——可以鎖定更多的模式(n越大)——

t就越短如何獲得超短脈沖寬度（fs量級(jí)）的激光脈沖？最短脈沖寬度t=3fs（理論上）

t<5fs(4.5fs)(實(shí)驗(yàn)上）2003年鈦寶石作為增益介質(zhì)開始在超短脈沖的產(chǎn)生中發(fā)揮了重大作用，為飛秒激光器的固體化，實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)！

Ti:Sapphire晶體吸收和發(fā)射光譜DnG(增益帶寬)將脈沖進(jìn)行相位非線性調(diào)制，使它變成啁啾脈沖（變調(diào)脈沖），其頻率先高后低（藍(lán)頭紅尾）；脈沖壓縮技術(shù)隨著激光啁啾放大技術(shù)的快速發(fā)展，激光脈沖的峰值功率也在不斷地提高！將啁啾脈沖導(dǎo)入光柵對(duì)中，由于色散它分解為不同頻率的光脈沖輸出后，在經(jīng)反射鏡反射回來(lái)，由于長(zhǎng)波脈沖走的路程長(zhǎng)，短波脈沖走的路程短，故它們幾乎同時(shí)返回到原處，合成為更短的脈沖－－脈沖壓縮利用脈沖壓縮技術(shù)理論上可以獲得3fs非線性調(diào)制：電光調(diào)制，最簡(jiǎn)單的時(shí)非線形材料的二階非線性折射率，如玻璃光纖將脈沖進(jìn)行相位非線性調(diào)制，使它變成啁啾脈沖（變調(diào)脈沖），其Ti:Sapphire

飛秒激光1991年60fs,845-950nm,300mW(6WAr+

泵浦）D,E.Spenceetal,Opt.Lett.16,P.421997年20fs光纖壓縮4.5fs

20mJ1KHzM.Nisolietal,Opt.Lett.22,P.522 13fs 光纖壓縮5fs

6mJ1MHzA.Baltuskaetal,Opt.Lett.22,P.1021999年腔內(nèi)產(chǎn)生4.3fs(Sech),4.8fs(Gaussian),<2T(2.7fs),200mW,90MHz,650-1050nmU.Morgneretal,Opt.Lett.24,P.4112003年3.4fsOpticsLetters,2003,28(22):2258~2260Ti:Sapphire飛秒激光1991年60fs,84飛秒激光器的結(jié)構(gòu)振蕩器展寬器放大器壓縮器飛秒激光器的結(jié)構(gòu)振蕩器展寬器放大器壓縮器飛秒短脈沖的放大——CPA一些物理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用，如強(qiáng)場(chǎng)物理、激光受控核聚變、半導(dǎo)體載流子的動(dòng)力學(xué)過(guò)程等研究要求激光脈沖具有極高的峰值功率，這是普通飛秒振蕩級(jí)激光器輸出的脈沖所不能達(dá)到的，所以需要對(duì)振蕩級(jí)輸出的飛秒脈沖進(jìn)行放大！問(wèn)題的提出困難直接放大飛秒激光脈沖脈沖的峰值功率高于激光晶體的損傷閾值而破壞激光晶體！飛秒短脈沖的放大——CPA一些物理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究stretcherAmplifierCompressorCPA:

ChirpedPulseAmplifier工作原理tt解決辦法激光功率增強(qiáng)百萬(wàn)倍以上!!飛秒短脈沖的放大——CPAstretcherAmplifierCompressorCPTi:Sapphire晶體優(yōu)勢(shì)：除了具有寬的增益帶寬(230nm)外,其飽和通量為0.9J/cm2，熱導(dǎo)率在300K時(shí)為46W/mK，損傷閾值大于5J/cm2

以及具有比較大的增益截面（～3×10-19cm2）等。這些性質(zhì)使其成為超短脈沖激光器理想的增益介質(zhì)。比起染料激光器，以鈦寶石為增益介質(zhì)的激光器具有較寬的調(diào)諧范圍，相當(dāng)于4～5種染料組合所覆蓋的波段。此外固體介質(zhì)的激光器還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光束質(zhì)量高，運(yùn)行可靠，可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。飛秒短脈沖激光器Ti:Sapphire晶體優(yōu)勢(shì)：除了具有寬的增益帶寬(230同步泵浦多波長(zhǎng)飛秒激光器同步泵浦多波長(zhǎng)飛秒激光器能夠精確同步產(chǎn)生兩列或三列不同波長(zhǎng)的飛秒光脈沖，其光脈沖的波長(zhǎng)可在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧。多路光束可以同時(shí)在一個(gè)激光諧振腔內(nèi)產(chǎn)生，也可以同時(shí)在幾個(gè)諧振腔內(nèi)產(chǎn)生。但是，不論是單腔還是復(fù)腔，都采用同一塊激光晶體，利用了交叉鎖模原理。交叉鎖模就是在諧振腔內(nèi)，多路光束都交叉通過(guò)同一激光晶體，當(dāng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)自聚焦效應(yīng)、自相位調(diào)制和群速?gòu)浬⒀a(bǔ)償出現(xiàn)增益孔效應(yīng)時(shí)，腔內(nèi)凈增益大于腔內(nèi)各種損耗之和，就發(fā)生交叉鎖模。在交叉鎖模情況下，多路腔長(zhǎng)均相等。所以，產(chǎn)生的飛秒光脈沖序列都是精確同步的。目前同步精度小于1fs同步泵浦多波長(zhǎng)飛秒激光器同步泵浦多波長(zhǎng)飛秒激光器能夠精確同多列不同波長(zhǎng)的飛秒光脈沖用處非常大，它是研究泵浦/探測(cè)多激發(fā)態(tài)光譜學(xué)、程控飛秒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、選擇性生化反應(yīng)超快速動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域中最理想的工具和手段。同步泵浦多波長(zhǎng)飛秒激光器有些情況下，原子分子受較強(qiáng)瞬態(tài)光照射之后，使原子分子處于更復(fù)雜的較高能量激發(fā)態(tài)。通過(guò)泵浦探測(cè)超快時(shí)間分辨光譜研究，就可得到該類物質(zhì)的有關(guān)屬性。人們很希望用獨(dú)立調(diào)諧的雙波長(zhǎng)飛秒激光研究光物理、光化學(xué)過(guò)程。一個(gè)原子或一個(gè)分子吸收一個(gè)諧振光子的時(shí)間約為1fs，而光化學(xué)的最快化學(xué)變化約為0.1fs。絕大多數(shù)原子和分子的激發(fā)態(tài)有很多能級(jí)結(jié)構(gòu)，也就是有很多激發(fā)態(tài)。一個(gè)處于電子激發(fā)態(tài)的分子的能量、電子組態(tài)及電子自旋與其基態(tài)時(shí)很不相同，甚至引起分子形狀的改變。因此，該電子激發(fā)態(tài)的分子優(yōu)先經(jīng)歷一些復(fù)雜的核運(yùn)動(dòng)，要搞清楚其細(xì)節(jié)過(guò)程，必須進(jìn)行研究超快速光反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。多列不同波長(zhǎng)的飛秒光脈沖用處非常大，它是研究泵浦/探測(cè)多激發(fā)FacilityPeakPowerTypePulsedurationPulseEnergyRAL,UK1PWNd:glass/OPCPA600fs600JILE,Japan700TWNd:glass/OPCPA700fs350JJAERI,Japan850TWTi:sapphire33fs28JMBI,Germany100TWTi:sapphire50fs5JPhelix,Germany1PWTi:s/Nd:glass500

fs500

JLLNL,USA200TWTi:sapphire100fs20JLULI,France100TWNd:glass300fs30JCEDEX,France100TWTi:sapphire25fs2.5JSILEX-I(四川)286TWTi:sapphire30fs8.7JXL-III（北京）>200TWTi:sapphire40fs10.8JQG-III(上海)120TWTi:sapphire34fs4.3J國(guó)際上現(xiàn)有的超短超強(qiáng)激光裝置FacilityPeakPowerTypePulsedu國(guó)內(nèi)外具有代表性的飛秒激光器和微加工系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外具有代表性的飛秒激光器和微加工系統(tǒng)高功率飛秒激光系統(tǒng)脈寬：30fs峰值功率：286TW峰值強(qiáng)度:>1×1020W/cm2（f/1.7）SILEX-I極光III號(hào)脈寬：40fs,峰值功率：200TW峰值強(qiáng)度：>1020W/cm2這是國(guó)內(nèi)目前可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的最高光強(qiáng)高功率飛秒激光系統(tǒng)脈寬：30fsSILEX-I極光III號(hào)脈飛秒激光器工作時(shí)放大級(jí)Spitfire的工作實(shí)況實(shí)驗(yàn)室激光部的飛秒激光系統(tǒng)飛秒激光器工作時(shí)放大級(jí)Spitfire的工作實(shí)況實(shí)驗(yàn)室激光部Fraunhofer激光技術(shù)研究所激光功率：400W光束平方米質(zhì)量：<1.4效率達(dá)到：50%脈寬：700fs譜寬：<2nm一般商用<50W飛秒激光的發(fā)展Fraunhofer激光技術(shù)研究所激光功率：400W一般商用飛秒激光的發(fā)展目前國(guó)際上開始研究T6系統(tǒng)Table，Tenhertz,Tens,Tera-watt,Ti:sapphire桌上型，10Hz，可調(diào)諧，幾十TW，摻Ti藍(lán)寶石飛秒激光的發(fā)展目前國(guó)際上開始研究T6系統(tǒng)Table，Ten超快激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)超快激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)飛秒激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)由于功率密度極強(qiáng)，材料在飛秒激光作用下瞬時(shí)產(chǎn)生等離子體由于產(chǎn)生了極強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度（甚至高于氫原子5x109V/cm),可以對(duì)電子加速到極高速度----強(qiáng)場(chǎng)物理飛秒激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)由于功率密度極強(qiáng)，材料在飛秒激光作1、幾種不同的電離機(jī)制多光子電離隧道電離過(guò)勢(shì)壘電離2、模型

低階微擾理論

強(qiáng)場(chǎng)近似模型

直接數(shù)值求解含時(shí)薛定諤方程

飛秒激光與物質(zhì)相互作用物理機(jī)制1、幾種不同的電離機(jī)制2、模型

低階微擾理論

強(qiáng)場(chǎng)近似模型

原子的單光子吸收

h=6.63×10-34Js為Plank常數(shù)ν為光子的頻率。LightIntensity多光子電離原子的單光子吸收LightIntensity多光子電離多光子電離IpEkinIpEkinsinglephotonshw>Iphw<Ip

Multi-photonEinsteinG?ppert-Mayer1931年，G?ppertMayer理論上預(yù)言原子可以同時(shí)吸收兩個(gè)或者更多的光子。這樣，原子就有可能通過(guò)吸收多個(gè)頻率小于原子電離閾值的光子而電離（多光子電離）。多光子電離IpEkinIpEkinsinglephoton然而，普通光源的光強(qiáng)僅為103W/cm2，多光子躍遷的幾率非常的小，要觀察到這種現(xiàn)象必須有非常強(qiáng)的光源。由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)手段上的限制，對(duì)這種現(xiàn)象的研究?jī)H僅停留在理論階段。（氫原子的庫(kù)侖電場(chǎng)約為，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為）多光子電離1960年第一臺(tái)激光器的出現(xiàn)，使得從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)多光子過(guò)程成為可能。Kaiser和Garrett首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到了CaF2的二光子激發(fā)。然而，普通光源的光強(qiáng)僅為103W/cm2，多光子躍遷的幾率非電子的動(dòng)能為，其中為光子的能量，為原子的電離能。這是愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)公式的簡(jiǎn)單推廣。在激光強(qiáng)度相對(duì)比較低的情況下，可以用微擾理論來(lái)解釋。()。Ee=n.?w-Ip?w<<Ip

Multi-photon(lowerintensity)n?Ip多光子電離電子的動(dòng)能為，其中?w<<Ip?Ip

Multi-photonEe=(n+s).?w-Ip1979年，Agostini在氙原子的6光子電離的電子能譜中發(fā)現(xiàn)分別對(duì)應(yīng)6個(gè)光子和7個(gè)光子的兩個(gè)峰，這表明電子可以吸收高于原子電離閾值所需要的能量。Gontier在1980年將這種效應(yīng)命名為閾上電離（above-thresholdionization），指的是電子吸收（n+s）個(gè)光子，多于電離所需要的最少光子數(shù)n的多光子電離。多光子電離?w<<Ip?IpMulti-photon隧道電離1965年，Keldysh提出了一定條件下另外一種不同的電離機(jī)制。瞬時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)足夠大并且激光的頻率足夠低的話，在準(zhǔn)靜態(tài)近似下，激光場(chǎng)可以使得原子勢(shì)發(fā)生畸變，而電子可以隧穿通過(guò)畸變后的勢(shì)壘而電離。Therearetwowaysofconqueringamountain.Inclassicalphysics,onemustclimbthemountaintogettotheotherside.Thatisnotthecaseinquantumphysics:objectscansimplycrossthemountainhorizontally-bytunnellingthroughit.

隧道電離1965年，Keldysh提出了一定條件下另外一種不非順序雙電離（Nonsequentialdoubleionization）隧道電離的電子被激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)與母離子發(fā)生非彈性碰撞，當(dāng)電子的最大動(dòng)能大于原子的第二電離能時(shí)，會(huì)導(dǎo)致第二個(gè)電子電離。非順序雙電離（Nonsequentialdoubleio隧道電離的決定性參數(shù)——Keldysh參數(shù)γ>>1

多光子過(guò)程highfrequency and/orlowintensity<<1

隧道電離 lowfrequency and/orhighintensity“dc-tunnelingpicture”Ip

：原子電離勢(shì)Up:原子的有質(zhì)動(dòng)能“photondescription”隧道電離的決定性參數(shù)——Keldysh參數(shù)γ>>1當(dāng)激光強(qiáng)度繼續(xù)增大到連基態(tài)也成為非束縛態(tài)，這種現(xiàn)象成為過(guò)勢(shì)壘電離（over-the-barrierionization）。過(guò)勢(shì)壘電離當(dāng)激光強(qiáng)度繼續(xù)增大到連基態(tài)也成為非束縛態(tài)，這種現(xiàn)象成為過(guò)勢(shì)壘應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例飛秒激光的出現(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動(dòng)過(guò)程?；谶@些科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。特別值得提出的是，由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變?cè)缙谠\斷、醫(yī)學(xué)成象和生物活體檢測(cè)、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。

1999年10月12日,瑞典皇家科學(xué)院將諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予埃及和美國(guó)雙重國(guó)籍的物理化學(xué)和化學(xué)物理學(xué)家AhmedH.Zewail,以表彰他在利用飛秒激光脈沖研究化學(xué)反應(yīng)方面的開拓性工作應(yīng)用1－－超高速測(cè)量飛秒激光的出現(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快應(yīng)用1－－超高速測(cè)量作為探測(cè)光源作為泵浦光源應(yīng)用1－－超高速測(cè)量作為探測(cè)光源作為泵浦光源應(yīng)用1－－超高速測(cè)量應(yīng)用1－－超高速測(cè)量超高速探測(cè)－－飛秒化學(xué)激發(fā)分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)探測(cè)熒光等產(chǎn)物分子水平的化學(xué)反應(yīng)—兩束飛秒激光分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間只有幾十到幾百飛秒超高速探測(cè)－－飛秒化學(xué)激發(fā)分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)探測(cè)熒光等產(chǎn)物分子超高速探測(cè)－－半導(dǎo)體超快過(guò)程研究超高速探測(cè)－－半導(dǎo)體超快過(guò)程研究超高速探測(cè)－－半導(dǎo)體超快過(guò)程研究超高速探測(cè)－－半導(dǎo)體超快過(guò)程研究應(yīng)用2－－獲得阿秒脈沖物質(zhì)在高強(qiáng)度飛秒激光的作用下會(huì)出現(xiàn)非常奇特的現(xiàn)象：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的物質(zhì)瞬息間變成了等離子體。這種等離子體可以輻射出各種波長(zhǎng)的射線的激光。高功率飛秒激光與電子束碰撞能夠產(chǎn)生硬X射線飛秒激光，產(chǎn)生β射線激光，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)應(yīng)用2－－獲得阿秒脈沖物質(zhì)在高強(qiáng)度飛秒激光的作用下會(huì)出現(xiàn)非常阿秒脈沖的重要應(yīng)用阿秒脈沖的重要應(yīng)用阿秒脈沖是短波長(zhǎng)脈沖對(duì)于給定的波長(zhǎng)，最短的脈沖為一個(gè)光周期.如果你想要得到更短的脈沖,最有效的辦法是減小它的波長(zhǎng)!單光周期紅外脈沖:單光周期的紫外光脈沖:對(duì)于800-nm波長(zhǎng)的光場(chǎng)而言，其光周期為2.7fs.而光周期為1fs的光場(chǎng)則需要300nm的波長(zhǎng).阿秒脈沖是短波長(zhǎng)脈沖對(duì)于給定的波長(zhǎng)，最短的脈沖為一個(gè)光周期.高次諧波（HighHarmonicGeneration）原子或分子在超強(qiáng)激光（1013W/cm2）的照射下輻射出高能光子的現(xiàn)象。最早由McPherson和Ferray,等人在試驗(yàn)中觀測(cè)到。gasjetAmplifiedfemtosecondlaserpulsex-rays高次諧波（HighHarmonicGeneration）高次諧波的兩個(gè)重要應(yīng)用短波長(zhǎng)XUV相干光源。（波長(zhǎng)~4nm)

目標(biāo)：提高高次諧波的頻率及效率。阿秒X射線光脈沖。（脈寬~10-18s）

目標(biāo)：減小阿秒脈沖的脈寬，增加阿秒脈沖的強(qiáng)度。高次諧波的兩個(gè)重要應(yīng)用短波長(zhǎng)XUV相干光源。（波長(zhǎng)~4nm)高次諧波具備阿秒脈沖產(chǎn)生的必要條件波長(zhǎng)能達(dá)到XUV波段。頻譜等間隔分布。足夠?qū)挼淖V帶(>1015Hz)。空間上良好的相干性。實(shí)現(xiàn)起來(lái)容易且穩(wěn)定。MaybeHHGjustnaturallyproducesattosecondpulseswithouteventrying…高次諧波具備阿秒脈沖產(chǎn)生的必要條件波長(zhǎng)能達(dá)到XUV波段。Ma4.3nmScience278,661(1997)超短驅(qū)動(dòng)脈沖+高電離能介質(zhì)超短脈沖激光能有效抑制原子的電離率，而保證高能諧波光子的獲得。超短脈沖驅(qū)動(dòng)的極紫外高次諧波水窗波段4.3nmScience278,661(1997)超短應(yīng)用3－－飛秒激光微加工高功率飛秒激光在醫(yī)學(xué)、超精細(xì)微加工、高密度信息儲(chǔ)存和記錄方面都有著很好的發(fā)展前景。應(yīng)用3－－飛秒激光微加工高功率飛秒激光在醫(yī)學(xué)、超精細(xì)微加工、大幅降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)在傳統(tǒng)板層刀手術(shù)中，如果刀片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生負(fù)壓環(huán)松脫等意外，角膜瓣的制作將徹底失敗，手術(shù)只能等三個(gè)月以后再做，給患者和醫(yī)生帶來(lái)極大的心理壓力。而“飛秒激光”手術(shù)如出現(xiàn)類似意外的情況，醫(yī)生只需將負(fù)壓環(huán)再次戴上，立即補(bǔ)充激光即可，不需中斷手術(shù)。因?yàn)轱w秒激光在制作角膜瓣時(shí)，只產(chǎn)生一些水和氣泡推開角膜組織，對(duì)組織無(wú)損傷，可對(duì)同一患處進(jìn)行多次手術(shù)，安全性大大提高。嵌入式角膜瓣，復(fù)位更準(zhǔn)確。板層刀是水平切削的，而眼球表面是一個(gè)球體，所以制作的角膜瓣剖面呈“杯蓋”型，與眼球基體的固著性不夠好；而飛秒激光制作的角膜瓣與眼球基體呈“地下井蓋”型嵌入式咬合，復(fù)位輕松咬合緊密，不會(huì)錯(cuò)位，更不會(huì)出現(xiàn)碎瓣、紐扣瓣等并發(fā)癥。同時(shí)，它的激光光源也避免了因使用板層刀可能導(dǎo)致的金屬碎屑?xì)埩魬?yīng)用4－－生命醫(yī)學(xué)治療近視應(yīng)用4－－生命醫(yī)學(xué)治療近視飛秒用于生物醫(yī)學(xué)避免醫(yī)源性感染。無(wú)接觸。“飛秒激光”使人類第一次在角膜手術(shù)上離開了板層刀，手術(shù)過(guò)程中發(fā)生交叉感染的情況就成為了歷史。術(shù)后視覺(jué)質(zhì)量更完美“飛秒激光”可以精確地打開眼部組織分子鏈，制作出更均勻更完美的角膜瓣，有效避免了板層刀制瓣可能出現(xiàn)的醫(yī)源性像差等，避免了霧天、下雨天以及夜晚開車等視物條件下出現(xiàn)的眩光、模糊等情況，讓近視者獲得趨于完美的視覺(jué)質(zhì)量?！叭す狻笔中g(shù)，精確度提高百倍。“飛秒激光”能把角膜瓣制作的精確度控制在10－15微米以內(nèi)，其精確度是板層刀的100多倍，這是板層刀望塵莫及的，對(duì)任何患者來(lái)說(shuō)都是更安全的。不受角膜曲率影響，矯治范圍更廣泛過(guò)去受角膜厚度影響，有近10%的患者因近視太深、角膜太薄，基本無(wú)法接受傳統(tǒng)的LASIK等激光手術(shù)。而Intralase飛秒激光手術(shù)不受角膜曲率的影響，對(duì)角膜偏薄、角膜曲率變異大的近視患者來(lái)說(shuō)是一大福音飛秒用于生物醫(yī)學(xué)避免醫(yī)源性感染。無(wú)接觸。“飛秒激光”使人類第應(yīng)用5－－其它應(yīng)用高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿，從而制造放電通道，實(shí)現(xiàn)人工引雷，避免飛機(jī)、火箭、發(fā)電廠因天然雷擊而造成的災(zāi)難性破壞。利用飛秒激光能夠非常有效地加速電子，使加速器的規(guī)模得到上千倍的壓縮。高功率飛秒激光與物質(zhì)相互作用，能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的中子，實(shí)現(xiàn)激光受控核聚變的快速點(diǎn)火。從而為人類實(shí)現(xiàn)新一代能源開辟一條嶄新的途徑。應(yīng)用5－－其它應(yīng)用高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿，從而制造放飛秒激光微制造技術(shù)加工材料種類有限；難以實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的加工；工藝復(fù)雜，加工柔性不好。目前倍受重視的信息業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)、材料科學(xué)與生物技術(shù)的發(fā)展都有向極端方向發(fā)展的趨勢(shì)，研究的尺度與器件的尺寸越來(lái)越小，集成度越來(lái)越高，響應(yīng)速度越來(lái)越快，這就要求有極端的技術(shù)來(lái)支撐。當(dāng)前，微納米加工技術(shù)主要是硅基加工技術(shù)，隨著微納米技術(shù)的不斷發(fā)展，硅基加工技術(shù)的局限性也越來(lái)越明顯。

飛秒激光微制造技術(shù)正逐步發(fā)展成為一種能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行微納米操縱的精密處理工具！

飛秒激光微制造技術(shù)加工材料種類有限；目前倍受重視的信息業(yè)、先飛秒激光微細(xì)加工的特點(diǎn)加工過(guò)程的非熱熔性加工程度的準(zhǔn)確性加工尺寸的亞微米特性和三維空間分辨性加工材料的廣泛性加工能量的低耗性飛秒激光微細(xì)加工的特點(diǎn)加工過(guò)程的非熱熔性長(zhǎng)脈沖作用與短脈沖作用的比較1.通過(guò)熱激發(fā)或光激發(fā)（包括單光子和多光子電離）產(chǎn)生導(dǎo)帶電子；2.導(dǎo)帶電子通過(guò)焦耳加熱和雪崩電離在光場(chǎng)中吸收能量，形成等離子體；3.等離子體通過(guò)電子聲子耦合，把能量傳遞給晶格。4.晶格被加熱，物質(zhì)融化和升華。5.物質(zhì)的熱擴(kuò)散和聲沖擊波引起周圍物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。納秒——微秒脈沖：光脈沖與物質(zhì)作用時(shí)間包含1－5皮秒——納秒脈沖：光脈沖與物質(zhì)作用時(shí)間包含1－4飛秒——光脈沖與物質(zhì)作用時(shí)間包含1－3材料光學(xué)擊穿(breakdown)可以分五個(gè)主要過(guò)程長(zhǎng)脈沖作用與短脈沖作用的比較1.通過(guò)熱激發(fā)或光激發(fā)（包括單光超短脈沖和長(zhǎng)脈沖激光微細(xì)加工的比較LongpulseShortpulse(1)加工過(guò)程熱影響極小，幾乎不對(duì)周邊材料造成損害，加工區(qū)域極其精確并具有高度可重復(fù)性。與長(zhǎng)脈沖比較，飛秒激光加工的邊緣極其整齊和精確，并能克服熱效應(yīng)所帶來(lái)的一切弊端。

超短脈沖和長(zhǎng)脈沖激光微細(xì)加工的比較LongpulseSho(2)加工區(qū)域可以小于聚焦尺寸，突破衍射極限等，可生成亞微米精細(xì)結(jié)構(gòu)一般激光加工，其橫向尺寸大于激光波長(zhǎng)，這是由于衍射規(guī)律的限制。飛秒激光也受衍射規(guī)律的限制，其焦斑尺寸不可能小于半個(gè)波長(zhǎng)。但由于其峰值功率極高，和物質(zhì)相互作用時(shí)主要是多光子過(guò)程。由于激光的強(qiáng)度在空間上一般呈高斯型分布，如果調(diào)節(jié)入射激光束，使得只有焦斑的中心強(qiáng)度剛好滿足材料的多光子電離閾值，則加工過(guò)程中的能量吸收和作用范圍就被僅限于焦點(diǎn)中心位置處的很小一部分體積內(nèi)，而非整個(gè)聚焦光斑所輻照的區(qū)域，加工尺度可遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于焦斑，達(dá)到亞微米級(jí)。通過(guò)精確調(diào)節(jié)脈沖能量，甚至可使加工區(qū)域達(dá)到幾十納米。

(2)加工區(qū)域可以小于聚焦尺寸，突破衍射極限等，可生成亞微米(3)飛秒激光加工能夠在透明材料內(nèi)部制備三維微結(jié)構(gòu)將聚焦強(qiáng)度位于閾值附近的飛秒激光聚焦到透明材料的內(nèi)部空間，一方面，材料的透明特性使得光束的共振線性吸收可以忽略；另一方面，較低的光束強(qiáng)度又無(wú)法滿足材料的多光子非線性吸收要求。因此光束幾乎可以毫無(wú)衰減地到達(dá)材料內(nèi)部的聚焦點(diǎn)。唯有在聚焦點(diǎn)才能獲得較高的功率密度，發(fā)生多光子吸收和電離，從而實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部三維空間上任意部位的超精細(xì)加工。

(3)飛秒激光加工能夠在透明材料內(nèi)部制備三維微結(jié)構(gòu)將聚焦強(qiáng)度(4)加工材料范圍廣，幾乎可精密加工任何材料。

飛秒激光加工過(guò)程中，脈沖的超高峰值使得材料對(duì)入射激光進(jìn)行多光子吸收而非共振吸收，這就形成加工過(guò)程具有確定而依賴于材料中的原子特性的閾值特性。加工對(duì)象無(wú)材料選擇性。飛秒激光可以精密微細(xì)加工玻璃、陶瓷、各種電介質(zhì)材料、各種半導(dǎo)體、聚合物以及各種生物材料乃至生物組織。

(4)加工材料范圍廣，幾乎可精密加工任何材料。飛秒激光加工飛秒激光與材料相互作用飛秒激光與材料相互作用第6章超快超強(qiáng)激光加工課件三維微結(jié)構(gòu)制備三維微結(jié)構(gòu)制備納米牛納米牛第6章超快超強(qiáng)激光加工課件飛秒激光透明材料內(nèi)部改性與光子器件微制備飛秒激光在透明材料內(nèi)部誘導(dǎo)的折射率改變可制備光子器件飛秒激光透明材料內(nèi)部改性與光子器件微制備飛秒激光在透明材料內(nèi)玻璃內(nèi)部光波導(dǎo)玻璃內(nèi)部光波導(dǎo)玻璃內(nèi)部光柵第6章超快超強(qiáng)激光加工課件Microscopeimageofthegridgrating(a)andsquaregrating(d)bylinescanningofthefemtosecondlaser,with2.0μJ,velocityof10μm/s,periodof5.2μmand4passes;(b),(c)and(d),(f)aretheir0-order,and1-orderdiffractionpa