摘要：綜述了激光技術(shù)的新發(fā)展和研究的熱點，重點論述了飛秒激光技術(shù)的最新發(fā)展和它在生命科學(xué)、基因工程、信息科學(xué)、超微細(xì)加工及物理學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用以及大功率激光技術(shù)的發(fā)展和它在國防軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；飛秒；大功率；發(fā)展與應(yīng)用
引言
激光又稱“雷射”，是受激輻射光放大之意。激光既具有光的一切特點，又具有單色性、相干性、方向性和偏振性好、功率高及時間短等一般光源無法比擬的優(yōu)點。因此，在1960年Maman首次報道激光輻射以來，激光技術(shù)在科學(xué)技術(shù)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍事等各個領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用，巨大的應(yīng)用前景有力地推動了激光技術(shù)自身的發(fā)展。近年來，在飛秒激光和大功率激光的研究中所取得的突破性進(jìn)展使科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域發(fā)生了重大改革。
1 大功率激光器的發(fā)展與應(yīng)用
由于世界各國國防現(xiàn)代化的發(fā)展和激光技術(shù)在軍事上巨大的潛在應(yīng)用價值，使得大功率激光器的研究成為熱點，20世紀(jì)70年代建造的“機載激光實驗室”采用了一臺氣動CO2激光器，輸出功率可以達(dá)到400kW；研制的氟化氘化學(xué)激光器，輸出波長3.5μm，輸出功率町達(dá)到2.2MW。由于化學(xué)氧碘激光器的輸出波長為1.315Lm比氟化氘化學(xué)激光器的3.5μm和CO2激光器的10.6μm短許多，可以采用更小的光學(xué)系統(tǒng)來解決激光束的大氣傳輸問題，因此化學(xué)氧碘激光器成為一個研究重點。機載化學(xué)氧碘激光器把過氧化氫溶液噴到氯氣中產(chǎn)生放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量把氧激發(fā)到高能態(tài)，氧分子激發(fā)碘原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與躍遷產(chǎn)生激光輸出，它的輸出功率可達(dá)到3MW。
燃料的循環(huán)使用、高壓震動下的穩(wěn)定運行和小型化的問題是研究的關(guān)鍵。隨著固體激光器的研究與發(fā)展，全固化固體激光器在軍事領(lǐng)域里也顯現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用價值。目前全固化固體激光器主要有二極管泵浦固體激光器(diode-
pumping solid state laser，簡稱DPSSL)和固體熱容激光器(solid-state heat capacity laser，簡稱SSHCL)。DPSSL具有波長短、效率高、光束質(zhì)量好、體積小及無化學(xué)危害等優(yōu)點。它的調(diào)Q技術(shù)、鎖模技術(shù)、放大技術(shù)、冷卻技術(shù)和非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點。SSHCL結(jié)構(gòu)緊湊、有很好的熱特性和較高的效率，它的輸出能量E正比于介質(zhì)的質(zhì)量m，熱容量c溫差T，即E=MCT。目前SSHCL研究的關(guān)鍵技術(shù)是激光二極管陣列泵浦技術(shù)和硅單片微通道冷卻技術(shù)。
2 飛秒激光技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
自1960年Maman首次獲得激光脈沖輸出以來，人類對激光脈沖寬度的壓縮過程大致可以分為3個階段：調(diào)Q技術(shù)階段、鎖模技術(shù)階段和啁啾脈沖放大技術(shù)階段。啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification，簡稱CPA)是為了克服固體激光物質(zhì)對飛秒激光放大時產(chǎn)生的自聚焦效應(yīng)而開發(fā)的一種新技術(shù)，它先對鎖模激光器產(chǎn)生的超短脈沖提供“正啁啾”，把脈沖寬度展寬到皮秒甚至納秒量級進(jìn)行放大，在獲得足夠的能量放大后再利用啁啾補償(負(fù)啁啾)的方法進(jìn)行脈寬壓縮，啁啾脈沖放大技術(shù)對飛秒激光的發(fā)展具有重要意義。
1990年以前利用寬增益帶寬的染料激光器鎖模技術(shù)就已經(jīng)獲得了飛秒激光脈沖。但是，由于染料激光器的維護(hù)管理極為復(fù)雜，因此限制了它的應(yīng)用。隨著鈦寶石晶體質(zhì)量的提高，用較短的晶體也能獲得足夠高的增益，實現(xiàn)短脈沖振蕩。1991年Spence等人首次研制出自鎖模鈦寶石飛秒激光器，獲得60fs的脈沖寬度鈦寶石飛秒激光器的研制成功極大地促進(jìn)了飛秒激光的應(yīng)用與發(fā)展。1994年，利用啁啾脈沖放大技術(shù)又獲得了小于10fs的激光脈沖，目前借助于克爾透鏡自鎖模技術(shù)、光學(xué)參量啁啾脈沖放大技術(shù)、腔倒空技術(shù)、多通放大技術(shù)等可以使激光的脈沖寬度壓縮倒1fs以下進(jìn)入阿秒領(lǐng)域，激光的脈沖峰值功率也從太瓦(1TW=1012W)提高到拍瓦(1PW=1015W)。激光技術(shù)的這些重大突破在許多領(lǐng)域中引發(fā)了廣泛而深入的變革。
在物理學(xué)領(lǐng)域，利用飛秒激光所產(chǎn)生的超高強度電磁場能夠產(chǎn)生相對論中子，也能直接對原子和分子進(jìn)行操作，在臺式核聚變激光裝置上，用飛秒激光脈沖照射氘氚分子團(tuán)可引發(fā)核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生大量的中子。飛秒激光與水相互作用時，可以使氫的同位素氘發(fā)生核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生巨大的能量。利用飛秒激光控制核聚變，可以獲得可控的核聚變能源。在宇宙物理學(xué)實驗室中，利用飛秒激光超高強度光脈沖產(chǎn)生的高能量密度等離子體能在地面上再現(xiàn)銀河和恒星的內(nèi)部現(xiàn)象。用飛秒時間分辨法能夠以飛秒的時間尺度清楚地觀察到置于納米空間的分子及其內(nèi)部電子狀態(tài)的變化。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于飛秒激光具有很高的峰值功率和功率密度，與各種材料相互作用時往往導(dǎo)致多光子電離，自聚焦效應(yīng)等各種非線性效應(yīng)。同時，飛秒激光與生物組織的相互作用時間和生物組織的熱馳豫時間(在ns量級)相比，顯得微不足道，對生物組織來說幾度的溫度上升會變成壓力波傳到神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生疼痛感，同時也對細(xì)胞造成熱損傷，所以飛秒激光可以實現(xiàn)無痛無熱損傷治療。飛秒激光具有能量低、損傷小、準(zhǔn)確度高并能在三維空間上嚴(yán)格定位的優(yōu)點，能最大限度地滿足生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域地特殊需要。把飛秒激光用于牙齒的治療可以獲得沒有任何邊緣損傷的干凈整齊的孔道，避免了長脈沖激光(如Er:YAG)造成的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響鈣化與裂紋和粗糙的表面。把飛秒激光應(yīng)用于生物組織精細(xì)切割時，通過光譜分析飛秒激光與生物組織作用過程中的等離子體發(fā)光，可以識別到骨質(zhì)組織和軟骨組織，從而確定和控制手術(shù)治療過程中所需要的脈沖能量。這種技術(shù)對于神經(jīng)和脊椎手術(shù)具有重大意義。波長范圍在630-1053nm的飛秒激光可對人腦組織實施安全、清潔、高精度的非熱性手術(shù)切割燒蝕。用波長為1060nm，脈寬為800fs，脈沖重復(fù)頻率為2kHz，脈沖能量40μJ的飛秒激光可進(jìn)行清潔、高精度的角膜切割手術(shù)。飛秒激光無熱損傷的特點，對于激光心肌血管重建術(shù)和激光血管成型術(shù)都具有重要意義。2002年，德國漢諾威激光中心用飛秒激光在一種新的聚合物材料上完成了血管支架結(jié)構(gòu)的突破性制作，這種血管支架和以往的不銹鋼支架相比具有很好的生物兼容性和生物降解性，對冠心病的治療具有重要意義。在臨床檢測及活體檢定中，飛秒激光技術(shù)能在微觀水平上自動完成對有機體生物組織的切割，并獲得高清晰度的三維圖像。該技術(shù)對癌癥的診斷治療和研究動物368遺傳基因的變異，具有重要意義。
在基因工程領(lǐng)域。2001年德國的K.Konig等利用鈦寶石飛秒激光對人類的DNA(染色體)進(jìn)行了納米級的操作(最小切割寬度100nm)。2002年U.irlapur和Koing利用飛秒激光在癌細(xì)胞膜上打一個可逆性微孔，然后使DNA通過這個孔進(jìn)入細(xì)胞，以后細(xì)胞自身的生長封閉了該孔，從而成功地實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移。這種技術(shù)具有可靠性高、移植效果好等優(yōu)點，對于移植外源遺傳物質(zhì)進(jìn)入包括干細(xì)胞在內(nèi)的各種細(xì)胞具有重要意義。在細(xì)胞工程領(lǐng)域，應(yīng)用飛秒激光在活體細(xì)胞內(nèi)實現(xiàn)了納米手術(shù)操作而未傷及細(xì)胞膜。飛秒激光的這些操作技術(shù)對基因療法，細(xì)胞動力學(xué)，細(xì)胞極性，抗藥性以及細(xì)胞內(nèi)部不同成分和亞細(xì)胞異質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面的研究都具有積極意義。
在光纖通信領(lǐng)域，半導(dǎo)體光電器件材料的響應(yīng)時間是制約超商速光纖通信“瓶頸”，應(yīng)用飛秒相干控制技術(shù)町使半導(dǎo)體光開關(guān)的速度達(dá)到10000Gbit/s，最終能達(dá)到量子力學(xué)理論上的極限。此外把飛秒激光脈沖的傅立葉波形整形技術(shù)應(yīng)用于時分復(fù)用、波分復(fù)用和碼分多址等大容量光通信中，能獲得1Tbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。
在超微細(xì)加工領(lǐng)域中，飛秒激光脈沖在透明介質(zhì)中發(fā)生的強烈自聚焦效應(yīng)使激光焦斑小于衍射極限，在透明材料內(nèi)部產(chǎn)生微爆炸現(xiàn)象，形成直徑為亞微米的立體像素。利用這種方法，可以進(jìn)行高密度的三維光學(xué)存儲，存儲密度可達(dá)到1012bits/cm3。并可以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)讀、寫，并行數(shù)據(jù)隨機存取。相鄰數(shù)據(jù)位層之間的串?dāng)_很小，三維存儲技術(shù)已成為當(dāng)前的海量存儲技術(shù)發(fā)展的一個新的研究方向。光波導(dǎo)、分束器、耦合器等是集成光學(xué)的基本光學(xué)組件，利用飛秒激光在計算機精密控制的加工平臺上，可以在材料內(nèi)部的任意位置制作出任意形狀的二維、三維的光波導(dǎo)、分束器、耦合器等光子器件，并能和標(biāo)準(zhǔn)光纖耦合，利用飛秒激光還可以在光敏玻璃內(nèi)部制作45°微型反射鏡，現(xiàn)已制作出由3個內(nèi)部微型反射鏡組成的光學(xué)回路，可以使光束在4mmx5mm面積內(nèi)轉(zhuǎn)270°。更具有科學(xué)意義的是最近美國的科學(xué)家已用飛秒激光制作出一條長1cm的增益光波導(dǎo)，它在1062nm附近可產(chǎn)生3dB/cm的信號增益。
光纖Bragg光柵具有有效的選頻特性，易于和光纖通信系統(tǒng)耦合且損耗小，因此它在頻域中呈現(xiàn)出豐富的傳輸特性，成為光纖器件的研究熱點。2000年，Kawamora K等人首次利用兩束紅外飛秒激光干涉法得到表面浮雕全息光柵。以后隨著制作工藝與技術(shù)的發(fā)展，2003年M ihaiby．S等人采用鈦寶石飛秒激光脈沖與無零次相位板結(jié)合在通信光纖的纖芯上獲得反射Bragg光柵，它具有很高的折射率調(diào)制范圍和很好的溫穩(wěn)定性。
光子晶體是折射率在空間具有周期性調(diào)制的介電結(jié)構(gòu)，它的變化周期和光的波長為同一個數(shù)量級。光子晶體器件是一種全新的控制光子傳播的器件，已成為光子學(xué)領(lǐng)域中一個研究熱點。2001年，Sun H B等人利用飛秒激光在摻鍺二氧化硅玻璃內(nèi)制作出任意晶格的光子晶體，它能單獨地為單個原子選址。2003年，Serbin J等人利用飛秒激光誘導(dǎo)無機有機混合材料的雙光子聚合現(xiàn)象得到結(jié)構(gòu)尺寸小于200nm，周期為450nm的三維微結(jié)構(gòu)和光子晶體。
飛秒激光在微光子器件加工領(lǐng)域中取得的突破性成果，使在一個“芯片”上加工出包括方向連接口、帶通濾波器、多路復(fù)用器、光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換器以及調(diào)制器等組件在內(nèi)的平面光波環(huán)路成為可能。為光子器件代替電子器件奠定了基礎(chǔ)。
光掩模和光刻技術(shù)使微電子領(lǐng)域中的一個關(guān)鍵技術(shù)，它直接關(guān)系到集成電路產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。利用飛秒激光可以對光掩模的缺陷進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)的線寬可以達(dá)到小于100nm的精度，利用飛秒激光直寫技術(shù)町以快速，有效地制造高質(zhì)量的光掩模，這些成果對微電子技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
3 結(jié)束語
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和激光技術(shù)巨大的應(yīng)用介質(zhì)極大地推動了激光技術(shù)自身的發(fā)展，現(xiàn)在激光的輸出波長已實現(xiàn)從遠(yuǎn)紅外到X射線的全波段調(diào)諧，輸出功率已經(jīng)達(dá)到幾百千瓦，峰值功率已經(jīng)達(dá)到PW(1PW=1015W)，激光的輸出脈沖寬度已經(jīng)壓縮到飛秒(1fs=1e?15s)并將進(jìn)入阿秒(1as=10-18s)量。激光技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，尤其是飛秒激光的發(fā)展與應(yīng)用導(dǎo)致科學(xué)技術(shù)的許多研究領(lǐng)域發(fā)生了重大的變革，加快了人類社會由電子時代向光子時代邁進(jìn)的步伐。
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