• 在100 fs的時間內(nèi)電子吸收光子的能量而躍遷到高能級；
  
  
  
• 為了達(dá)到平衡，電子會在1 ps的時間內(nèi)將能量傳遞給晶格；
  
  
  
• 在10 ps的時間內(nèi)，這些能量將被逐步傳遞到材料內(nèi)部。

• 飛秒激光加工的組織中沒有熔融區(qū)，沒有重鑄層，不產(chǎn)生微裂紋。這是飛秒加工的最重要特征。它避免了熱熔化的存在，實(shí)現(xiàn)了相對意義上的“冷”加工，大大減弱和消除了傳統(tǒng)加工中熱效應(yīng)帶來的諸多負(fù)面影響。
  
  
  
• 飛秒激光加工精度高，不受光的衍射極限的限制，具有很高的空間分辨性。
  
  
  
• 飛秒激光加工對材料沒有選擇和限制性，可以對任何材料進(jìn)行精細(xì)加工、修復(fù)和處理。
  
  
  
• 飛秒激光加工需要的脈沖能量閥值極低，一般只有毫焦耳量級，這決定了加工的能量低耗性。
  
  
  
• 飛秒激光加工精度高，不受光的衍射極限的限制，具有很高的空間分辨性。

• 飛秒激光能對石英、玻璃、晶體、光纖等各種透明材料內(nèi)部進(jìn)行三維加工和改性。激光光強(qiáng)大于多光子吸收閥值時，會激發(fā)透明材料對光子能量的吸收。迅速升溫然后驟然降溫，可導(dǎo)致光學(xué)透明材料折射率的變化。
  
  
  
• 通過飛秒激光雙光子聚合微細(xì)加工技術(shù)來實(shí)現(xiàn)聚合物的制備。通過雙光子聚合反應(yīng)，并同時產(chǎn)生固化，生成大分子的聚合物，這樣就得到了需要的三維結(jié)構(gòu)制件。
  
  
  
• 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，作為超精密外科手術(shù)刀，飛秒激光可用于視力矯正手術(shù)；也可用于無痛牙科治療，可以避免了因溫度變化引起的神經(jīng)痛感。
  
  
  
• 在材料制備方面，飛秒激光應(yīng)用于脈沖激光沉積領(lǐng)域，可以進(jìn)行新材料薄膜制備。

在100 μm厚的不銹鋼薄片上鉆孔，飛秒激光的加工效果明顯好于納秒激光（圖1），非常干凈。

圖2 飛秒和皮秒脈沖在0.5 mm厚的銅片上鉆孔所需的脈沖數(shù)。脈沖能量：30 μJ 


在激光脈沖重復(fù)率接近兆赫茲，并具有較高的平均功率的情況下，用于加工金屬時，飛秒脈沖似乎比皮秒脈沖更有利。在用19 ps的激光脈沖鉆的孔，觀察到一個薄的熔融層。而用800 fs脈沖的時候，得到一個干凈的燒蝕區(qū)（圖3）。

1)激光脈沖：50 kHz，240 fs，800 nm;

2）焊接速度和脈沖能量分別為0.5 mm/s和1 μJ。


硬而脆的材料，如藍(lán)寶石對下一代觸摸屏或被作為LED生長的基底是很重要的。實(shí)驗(yàn)表明：不像皮秒脈沖，飛秒脈沖（<700 fs）可以在藍(lán)寶石當(dāng)中用來控制單一的裂縫方向（如圖4所示）。

圖4 裂紋形貌與激光脈沖寬度的依賴關(guān)系 


與固體飛秒激光器相比，光纖飛秒激光器有很多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、高集成、高穩(wěn)定、免維護(hù)、免調(diào)試；高增益、低閾值、高轉(zhuǎn)換效率；散熱性能良好；高光束質(zhì)量。光纖激光器是實(shí)用化激光光源的重要方向。

 

圖5 摻鐿(Yb)增益光纖的吸收與發(fā)射光譜

啁啾脈沖放大技術(shù)是飛秒激光脈沖放大的必要手段。它的基本原理是在脈沖放大之前在時域上對其展寬，以避免脈沖畸變和光學(xué)損傷。然后將脈沖能量放大, 最后利用光學(xué)元件(棱鏡、光柵)對脈寬再壓縮（圖6）。

 圖6 飛秒激光器結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)用化的光纖飛秒激光器如圖7所示。它由光纖鎖模振蕩器、光纖脈沖展寬器、光纖功率放大器及光柵脈沖壓縮器構(gòu)成。

圖7 光纖飛秒激光器結(jié)構(gòu)示意圖


在固體飛秒激光器中常用的體光柵脈沖展寬器，由于體積大、穩(wěn)定性差、難耦合進(jìn)單模光纖，并不適合用于光纖飛秒激光器。


如果單模保偏光纖能夠用作脈沖展寬器，這些問題就會得到解決。但是通常情況下，單模保偏光纖和體光柵脈沖壓縮器都有正的三階色散，不能相互補(bǔ)償，因此脈沖壓縮效果很差。


直到利用由功率放大器產(chǎn)生的非線性相位移動來補(bǔ)償光纖脈沖展寬器和光柵壓縮器的3階色散，適合于工業(yè)/醫(yī)療應(yīng)用的穩(wěn)定可靠的光纖飛秒激光器才得以實(shí)現(xiàn)。


作為光纖飛秒激光器應(yīng)用的典型例子，美國IMRA公司和德國Carl Zeiss公司合作開發(fā)的眼科工具–VisuMax（圖8）所用的全飛秒激光手術(shù)技術(shù)是目前全球最先進(jìn)的角膜屈光手術(shù)方式。

• 更長的被展寬脈沖；
• 更大孔徑的增益光纖；
• 盡可能短的增益光纖；
• 高階模損耗大的增益光纖；
• 更高衍射效率和損傷閾值的光柵。