激光的原理早在 1916 年已經由著名物理學家愛因斯坦（AlbertEinstein）的受激輻射理論所預言。世界上第一臺可操作的激光器由梅曼（Theodore Harold"Ted" Maiman）在1960年成功研制，其增益介質為紅寶石，波長為 694.3nm。激光器的誕生正式將激光引入實用領域。

在工業上，通常將激光分為連續波、準連續、短脈沖、超短脈沖四類。“超快激光”，通常是指輸出激光的脈沖寬度在10E-12S即皮秒級別，或小于皮秒級別的脈沖激光。

想象一下，光在如此短的時間，能跑多遠？

假設地球上有個人將激光筆對著月亮，大概1.3秒后，激光就會達到月球表面。當然得理想化一點，光沒有散射或損耗。而對于1皮秒的時間，光也就只能走頭發絲打個結的距離了。

1秒(s) =10E0s=1s;

1納秒(ns) =10E-9s=0.000000001s;

1皮秒(ps) =10E-12s=0.000000000001s;

1飛秒(fs) =10E-15s=0.000000000000001s;

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超短脈沖的成功產生得益于鎖模技術的誕生。該技術是通過在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關系，這些模式之間的干涉會使得激光產生一系列的脈沖，從而能夠將激光器的輸出脈沖寬度減小到超短脈沖的水平，其中超短脈沖指的是脈沖寬度在皮秒量級（Picosecond,ps,10E-12秒）至飛秒量級（Femtosecond,fs,10E-15秒）的激光脈沖，超短脈沖激光通常也被稱為超快激光。

常見的工業激光器例如皮秒激光器，飛秒激光，以及科研領域比較熱的阿秒激光，都屬于超快激光的范疇。

對于脈寬小于1納秒，大于幾十皮秒的激光器，行業人員未將之歸為超快激光，而是稱之為亞納秒激光器。

根據波長不同，又可以分為紅外皮秒、綠光皮秒、紫外皮秒等。

一、超快激光的原理

超快激光是激光領域重要的發展方向之一，作為一種新興的技術手段，在精密微細加工方面有著顯著優勢。超快激光產生的超短脈沖與材料相互作用時間極短，不會給周圍材料帶來熱影響，因此超快激光加工也被稱為冷加工。這是因為，當激光脈沖寬度達到皮秒或飛秒量級，可以在很大程度上避免對分子熱運動的影響，產生更少的熱影響。

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超快激光器的兩大核心訴求：

高穩定性的超短脈沖、高脈沖能量。

可以利用鎖模技術獲得超短脈沖，利用CPA(Chirped Pulse Amplification)放大技術獲得高脈沖能量，其中涉及的核心部件包括振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器等。

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(1)激光鎖模技術

鎖模（Modelocking）是激光器產生超短脈沖的方法之一，與調Q（Q-Switching）相類似，鎖模也是對激光器腔內進行調制，讓原本連續光（Continuous wave, CW）分裂，從而產生脈沖。但是鎖模與調Q僅僅是在物理現象上有所相似，其物理原理是完全不一樣的。

鎖模技術一般分為主動鎖模和被動鎖模。

除了主動相位調制之外，一般都是通過損耗調制的方式實現鎖模，其中最常用的是通過飽和吸收（Saturated Absorption）效應產生鎖模。

飽和吸收效應，即光強越強，工作物質的吸收越弱，當光強足夠強時，飽和吸收體（Saturable Absober, SA）被“漂白”，對光不再吸收。

目前，工業級光纖鎖模種子源基本都是SESAM鎖模加線性腔結構設計，其中可以通過選擇不同的輸出啁啾光柵和SESAM參數，實現皮秒或者飛秒鎖模。

(2)CPA放大技術

2018年10月2日，瑞典皇家科學院公布了2018年的諾貝爾物理學獎獲得者，由來自于美國的Arthur Ashkin，法國的Gerard Mourou和他的學生、 加拿大的Donna Strickland女士三位物理學家分享諾貝爾物理學獎金。其中50%授予Arthur Ashkin的“光鑷及其在生物系統中的應用”，另一半授予Gerard Mourou和Donna Strickland的“啁啾脈沖放大技術(Chirped Pulse Amplification，CPA)，用于生成高強度的超短脈沖激光的方法”。

鎖模技術從上世紀開始被研發，在經歷了主動、被動和克爾透鏡自鎖模三個階段之后，百飛秒量級以下超短激光脈沖的實現方式得到了巨大的改進。鈦藍寶石飛秒激光振蕩器作為新時代集成化更高、穩定性更好的鎖模激光器逐漸取代了發展初期的染料激光器，將超短脈沖激光器推向更加廣闊的應用領域。超短脈沖激光振蕩器的重復頻率一般在幾十兆赫茲量級，并且其單脈沖能量只能維持在納焦耳量級。

若采取將振蕩器直接輸出的超短脈沖進行光學放大，那么由于非線性效應的影響，超短脈沖將會在激光晶體內部形成光絲甚至損傷，無法進行有效的能量放大的同時還破壞了晶體元件。

穆魯（Mourou）和他的學生斯特里克蘭（Strickland）創造性的運用啁啾脈沖放大技術將這一難題攻克：他們將振蕩器輸出的脈沖在時間維度上進行了展寬，其峰值功率密度大幅度降低的同時消除了大部分非線性效應，因此種子脈沖可以從泵浦光中得到足夠的能量進行光學放大，然后再通過壓縮元件將能量放大后的脈沖壓縮至超短脈沖范圍后輸出。目前，通過此技術所獲得的單脈沖能量高達毫焦耳甚至焦耳量級，用透鏡或者透鏡組將超短脈沖進一步會聚后，能夠在焦點處產生 10E19 W/cm2的極高峰值功率密度，此項技術為超快、超強激光與物質相互作用的機理和應用研究提供了實驗基礎。隨著超短脈沖激光及啁啾脈沖放大技術的誕生，激光加工技術達到了一個全新的高度。

二、超快激光應用之醫療領域

飛秒激光視力矯正，也是大家比較熟悉的激光應用之一。在眾多的近視矯正術中，全飛秒激光手術已經成為主流治療近視眼的方法，與傳統的準分子激光手術相比，全飛秒激光手術具有手術準確度高、無明顯疼痛感、術后視覺效果好等優勢。

由于心臟支架壁管極薄，通常采用激光加工代替常規的機械切割。但是，使用普通激光通過燒蝕融化來加工，這樣加工的心臟支架存在毛刺多、切槽寬度不統一、表面燒蝕嚴重、筋寬不均勻等一系列問題。近年來，國外企業已經開始采用飛秒激光進行支架切割。

三、超快激光應用之科研領域

雙光子聚合技術(2PP)是一種“納米光學”3D打印方法，類似于光固化快速成型技術，未來學家 Christopher Barnatt認為這種技術未來可能會成為主流3D打印形式。雙光子聚合技術的原理是通過使用“飛秒脈沖激光”選擇性固化感光樹脂。聽起來似乎像光固化快速成型，區別在于雙光子聚合技術能夠實現的最小層厚和X-Y軸分辨率均在100納米和200納米之間。換句話說2PP 3D打印技術比傳統光固化成型技術精確度高了幾百倍，打印出來的東西比細菌還小。

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四、超快激光應用之顯示面板切割（貝塞爾光束）

關于貝塞爾光束的激光應用，國內基本比較成熟了。最成功的案例，我想應該就是激光切割顯示面板了吧。由于激光加工效率高，穩定好，維護方便，目前激光倒角機已經基本取代了機械式倒角機。

這項激光加工技術的基本原理是通過超快激光的光束整形，獲得長焦深的貝塞爾光束，作用于顯示面板的玻璃基板，實現任意形狀的切割。市場上的各種全面屏手機，例如劉海屏，水滴屏，美人尖等，這些屏幕外形基本都是采用超快激光切割獲得的。

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貝塞爾激光切割透明脆性材料，嚴格來講是包含兩個步驟，即切割+裂片。因為激光切割后，材料并不能自動脫落，而是需要借助外力實現裂片。而裂片的難度隨著切割材料的厚度增加，是明顯增大。對于切割較厚的材料，要么可以多次切割，來彌補切割焦深不夠的不足，要么提高激光脈沖能量，設計更長焦深的切割頭。

此外，技術上也有一些解決方法，例如burst-mode脈沖串模式。再不夠的話，那就得依靠激光技術的提升，獲得更高的脈沖能量了。

而裂片，就相對復雜一些了。不僅僅是因為材料厚度增加后，裂片的阻力明顯增大。還包括切割形狀（例如異形）、切割內封閉圖形、材料特性等因素，使得裂片的難度和復雜性明顯增大。

五、超快激光應用之FPC及OLED切割

對OLED而言，其聚合物材料對熱影響特別敏感，加上現在做的cell的尺寸、間隔都非常小，留下的加工尺寸也特別小，像以前的傳統模切工藝已經不適用于當今的生產需求了，而且現在還有異型屏、打孔屏的應用需求，更是超出了傳統工藝的能力范疇。這樣超快激光的好處就體現出來了，尤其是皮秒紫外，甚至飛秒激光，它的熱影響區小，而且更適合曲線加工這種更加靈活的應用。

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六、超快激光應用之微焊接

對玻璃等透明固體介質來說，超短脈沖激光在介質中傳播會出現非線性吸收、熔化損傷、等離子體形成、燒蝕、光絲傳播等多種現象。圖示為不同功率密度及時間尺度下，超短脈沖激光與固體材料相互作用發生的各種現象。

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正因為超短脈沖激光微焊接技術無需插入中間層、高效率、高精度、無宏觀熱效應以及微焊接處理后具有比較理想的力學、光學性能，其非常適合用于玻璃等透明材料的微焊接。例如，研究人員使用70 fs、250 kHz 脈沖成功為標準光纖和微結構光纖焊接端蓋。

審核編輯：劉清