超短脉冲激光及其应用课件.ppt

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1、超短脉冲激光及其应用,报告大纲,1）超短脉冲激光及其特点；2）超短脉冲激光产生及其放大技术简介；3）超短脉冲激光应用；4）今后的发展趋势。,一、超短脉冲激光及其特点,什么叫超短脉冲激光？,一般指时间宽度小于10-12秒的激光脉冲。10-12秒皮秒；10-15秒飞秒；10-18秒阿秒,一般超短激光脉冲：5飞秒几百飞秒。,超短脉冲激光有什么特点呢？,时间宽度非常短。,可以用于处理持续时间非常的物理化学过程：瞬态成像；超快光开光；高速光通信,光谱含量非常丰富。,可以用于激光光谱检测：脉冲整形；通信中的光谱编码；,光脉冲的峰值功率非常高。,脉冲功率=脉冲能量/脉冲时间宽度,1kHz、40fs、0.71

2、012W的激光系统,激光加工；激光医学手术；强场激光与物质相互作用；激光核聚变；,1.01015W,聚焦功率密度:10201022Wcm2,1）要让被放大的激光包含足够的光谱宽度；2）要让这些光谱分量的激光同相位。,二、超短脉冲激光及其放大技术,超短脉冲激光产生必须有足够的光谱作为支撑。,1）锁模；2）色散补偿。,啁啾脉冲放大技术,三、超短脉冲激光应用,超短、超强是飞秒激光的特点。飞秒激光脉宽可短至4飞秒以内，峰值功率高达拍瓦量级(1.0PW=1015W)聚焦功率密度达到10201022Wcm2。飞秒激光可以将其能量全部、快速、准确地集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、塑料、聚合物

3、、树脂等材料的微纳尺寸加工，具有其它激光加工无法比拟的优势：,飞秒激光加工,耗能低，无热熔区，“冷”加工；可加工的材料：从金属到非金属再到生物细胞组织；不会出现加工面的熔融、裂缝现象。高精度、高质量、高分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限；非接触，无飞溅无熔渣、无污染、不需特殊的气体环境和无后续工艺。,飞秒激光加工微结构,在金属薄膜上，钛宝石飞秒激光加工制备出了微纳米级阵列孔，孔径最小达2.5m，孔直径在2.510m间可调，最小间距可达10m，很容易实现1050m间距调整。,飞秒激光加工具有孔边缘清晰、表面干净等特点,金属掩模板加工,金属纳米颗粒加工,金属纳米颗粒加工：与其它激光脉冲相

4、比，飞秒激光改变的金属颗粒尺寸大小和特定形状。,对微电子技术（集成电路）的发展将具有重要意义。,利用飞秒激光超衍射极限加工有效地修补了金属镉掩模板的缺陷，修复的线宽达到小于100 nm的精度。,长10m高7m立体公牛图,微小蜘蛛和恐龙模型,复杂的微结构加工,飞秒激光微加工技术在一些特殊领域具有广阔的应用：钻孔、切割高热导性、高熔点金属 (如铼、钛等)和高硬度金刚石。 安全切割一些高爆危险物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等，避免了长脉冲激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，断面处没有炸药熔化和反应的痕迹。但在研究切割雷管时，没有热效应，能够安全切割。利用飞秒激光观测分析物理化学反应本

5、质，有望控制核聚变，以获得可控的无污染核聚变能源。将光频与波频联系起来的飞秒光梳技术，为更精确的频率机构一光钟的诞生铺平了道路。,光通信领域,与离子注入法和热扩散型离子交换法等目前常用的制作方法相比，飞秒激光制作波导在室温环境下进行，过程简单，波导结构在高温时仍能保持良好的质量和稳定性。,利用计算机精密控制飞秒激光加工平台，可以在材料内部的任意位置制得任意形状的二维、三维或单模光波导。,光波导,光栅在光通讯、色散补偿、光纤传感等领域中发挥着不可替代的作用。对光栅提出了更高的要求：不同几何形状排列，如六角阵列光栅；在光纤内部刻划，如Bragg(布拉格)光纤光栅。传统加工方法工序繁杂、制作的光栅稳

6、定性差、寿命短。飞秒激光微加工克服了这些缺点，永久性改变折射率，改变量高达0.05，实现直接刻划，顺应了现代光栅微型化和多样化的发展趋势。,光纤光栅,光子晶体器件：新型的微纳光子集成器件，新一代光子器件。飞秒激光双光子效应，加工精度高，是制备光子晶体的理想选择。,光子晶体,微型光学回路,光子晶体,光存储:使用高分辨率存储无疑会增加记录密度，而采用超短激光进行亚微米级操作会得到更好的效果。其特点： 快速的数据读、写、擦写、重写；并行数据随机存取；相邻数据位层间串扰小；存储介质成本低;三维立体光存储技术。,微通道的制备聚合物力学性能好，具有生物相容性，而且飞秒激光光束几乎可以毫无衰减地到达透明材料

7、内部的聚焦点，入射激光唯有在该点位置才能获得较高的功率密度，发生非线性多光子吸收和电离，实现材料内任意部位三维微结构的直写。道壁光滑且没有裂纹，没有损坏透明材料表面，这种微通道将广泛用于生物医学技术如DNA拉伸、微统计分析系统等。,生物医疗领域,飞秒激光具有“冷”加工、能量消耗低、损伤小、准确度高、三维空间上严格定位的优点，最大限度地满足了生物医疗的特殊要求：手术风险低，可对同一患处进行多次手术，治疗愈合周期短；相比传统手术刀，医源性感染少；全激光手术，无刀胜有刀，精确度高；无痛，无并发症。,在牙齿、隐形眼镜上钻孔，边缘干净、无损伤；非热性手术切割烧蚀脑组织；纳米切割人体染色体；制作血管支架，

8、力学性能好，可望解决血管再狭窄问题，即治疗冠心病；飞秒激光飞行质谱DNA排序；,飞秒激光治疗近视,一、飞秒激光制作的角膜瓣，切削的角膜瓣厚度均匀一致，瓣的厚薄和直径都可以设定，可控性非常好，损伤的神经和血管较少，大大减少了术后干眼症的发生率。 二、全激光手术，完全避免了交叉感染的可能。 三、飞秒激光误差小，医生可以根据患者的角膜情况进行设置角膜瓣的厚度，厚薄完全在医生的精确掌控中，因此，术前即可准确预测剩余角膜基质床的厚度，这对合理地设计手术方案、保证手术安全更为有利。 四、飞秒激光制作角膜瓣，能够完全避免金属角膜刀制瓣时可能出现的破碎瓣、游离瓣、纽扣瓣、医源性交叉感染、医源性像差等并发症，并

9、能将术后发生干眼症的概率降低。,治疗的全过程,LASIK治疗近视眼,LASIK治疗近视眼,LASIK治疗近视眼,使用板层刀制作角膜瓣,LASIK治疗近视眼,角膜瓣制作完成,LASIK治疗近视眼,激光进行角膜切削,LASIK治疗近视眼,LASIK治疗近视眼,LASIK治疗近视眼,角膜瓣复位,LASIK治疗近视眼,LASIK治疗近视眼,角膜瓣复位,LASIK治疗近视眼,治疗后的角膜形状,飞秒激光成像,时间间隔15ps，时间分辨300fs.,快门速度440ps,检测化学反应: 通过化学反应过程中原子或分子的光谱特性变化诊断其过程。,High-harmonic interferometry can b

10、e used to measure the amplitude and phase of light emitted from molecules. This method has now been used to reveal the ultrafast dynamics of electrons and nuclear interactions during a chemical reaction.,超宽带特性可用于高比特率的光通信 。,需解决一系列的关键技术问题：(1)目前没有形成一套完整的理论来解释：在超快、超短、超强的极端条件下，激光与物质相互作用的物理本质；(2)加大力度投资生产飞秒激光器、微加工系统，将其体积进一步小型化；改善其微加工的工作环境，延长其寿命等； (3)针对飞秒激光微加工的特性以及被加工材料的属性，开发模型设计的软件，对加工过程进行模拟和仿真，实现最佳参数加工；(4)飞秒激光微纳加工应用现阶段都只局限于实验室阶段，尽快探索其产业化途径，解决一些在能源、材料、环境、航天以及国防方面国家急需解决的问题；(5)降低加工成本，实现高效率生产，以满足市场需求。,