什么是超快激光？

超快激光：超短脉冲下的科技变革

超快激光：时间尺度的极致跨越

在日常生活中，我们对激光并不陌生。超市里扫码付款时，激光扫码器快速读取商品信息；光纤网络中，激光承载着海量数据在光纤里飞速传播。这些常见的激光应用，已经融入了我们生活的方方面面。然而，有一种激光却极为特殊，它在时间尺度上达到了令人惊叹的极致，这就是超快激光。

为了更好地理解超快激光，我们先对比一下普通激光。以常见的连续波激光来说，它就像一条源源不断流淌的河流，持续稳定地输出能量。而超快激光则像是一个个快速闪过的 “子弹”，每个 “子弹” 持续的时间极短。这种短时间的脉冲特性，是超快激光区别于普通激光的关键所在。

那么，到底什么是超快激光呢？从定义上讲，超快激光通常是指输出激光的脉冲宽度在皮秒（10⁻¹² 秒）级别，或小于皮秒级别的脉冲激光 。这里的皮秒、飞秒都是极小的时间单位，1 皮秒等于一万亿分之一秒，1 飞秒等于一千万亿分之一秒。如此短暂的时间尺度，已经超出了我们日常生活的感知范围。想象一下，光在 1 皮秒的时间内，仅仅能传播 0.3 毫米，大约是一根头发丝直径的几分之一；而在 1 飞秒内，光传播的距离更是只有 0.3 微米，几乎是微观世界的尺度。

超快激光的诞生：从理论到现实

超快激光的诞生，是科学理论与技术实践紧密结合的成果。其理论根源可追溯到 1916 年，爱因斯坦提出的受激辐射理论。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子作用时，会转变到低能态，并产生第二个光子 ，且这两个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同，这种辐射输出的光获得了放大，也就是相干光。这一理论为激光的产生奠定了基础，就像为一座宏伟的大厦搭建了基石。

在爱因斯坦提出受激辐射理论后的几十年里，科学家们不断探索如何将这一理论转化为实际的激光技术。1960 年，第一台红宝石激光器问世，它的出现为超快过程的研究打开了大门，让人们看到了实现超快激光的希望。此后，调 Q 技术在 1961 年首次在红宝石激光器上实现了脉冲宽度为几十纳秒的短激光脉冲输出，激光脉冲的脉宽甚至被缩短到 10 纳秒 。不过，由于受到激光器腔长的限制（2L／c，L 为激光器谐振腔长度，C 是光速），调 Q 技术所能得到的脉冲宽度只能达到纳秒级。

随着研究的深入，1964 年发展的相位锁定技术，将激光器各自独立振荡的多纵模型形成时间有序，锁模技术首次在氦氖激光器上实现主动锁模的纳秒级激光脉冲输出。两年后，在铷玻璃激光器上首次实现皮秒级的激光脉冲输出，人类终于踏入了皮秒时域的研究领域，开启了对超快激光更深入的探索。

20 世纪 60 年代中期，红宝石激光锁模和钕玻璃激光锁模的发展，进一步推动了皮秒时域的皮秒现象研究。1976 年，在宽带可调染料激光介质体系运用可饱和染料吸收体首次实现了亚皮秒的超短激光脉冲输出，这是超快激光发展历程中的又一个重要里程碑。

到了 20 世纪 80 年代，超快光谱学发生了革命性的变化。对撞脉冲锁模（CPM）的概念引入了染料激光器，皮秒激光脉冲被压缩到了飞秒（fs）时域，产生了 100 fs 的脉冲，紧接着又出现了 30 fs 的脉冲 。克尔（Kerr）门技术的出现，促进了超快光谱学包括超快荧光光谱学的发展。而啁啾脉冲压缩技术的运用，更是将脉冲宽度压缩到 20 fs 乃至 6 fs ，使人类在飞秒激光领域取得了重大突破。

在超快激光的发展过程中，钛宝石激光器扮演了极为重要的角色。钛宝石材料是超短脉冲振荡器和放大器的重要增益介质，它能够在 800 nm 输出脉宽 4 - 5 fs 的超快脉冲 。在近红外频区，还有 Cr4+：YAG，Cr3+：LiSAF，Cr4+：镁橄榄石（Mg2SiO4）等材料能实现 20 亚飞秒输出。

从理论的提出到实验室里一次次的技术突破，超快激光逐步从设想变为现实，为后续在科研、工业、医疗等众多领域的广泛应用奠定了坚实的基础。

探秘超快激光：原理与技术

（一）锁模技术：超短脉冲的奥秘

超快激光之所以能产生极短的脉冲，关键在于锁模技术。锁模技术是在激光器内不同振荡纵模之间实现位相锁定，从而获得规则的超短脉冲序列的专门技术。

在不采用特殊技术的一般激光器中，在激光工作物质增益线宽内往往会产生多个或大量纵模的同时振荡 。这些纵模的振荡彼此独立，它们相互之间的位相关系对时间来说是随机变化的，不能产生持续的相干作用。此时输出的激光实际上是由一系列不规则的宽度较宽而高度较低的杂乱脉冲组合而成，这是大量频率不同而位相关系随机改变的电磁场 “拍频” 作用的结果。

而锁模技术的精妙之处，就在于让这些原本各自为政的纵模建立起确定的相对位相关系 。当多个纵模之间保持同步振荡和彼此之间相互 “干涉” 作用时，输出激光就呈现为一系列规则的脉冲系列。该序列中每个单独光脉冲的时间宽度，由维持同步振荡的不同纵模的数目所决定，并且在数值上约等于相邻纵模频率间隔与上述振荡纵模数相乘积倒数。简单来说，参与同步振荡的纵模数目越多，产生的光脉冲宽度就越窄。这就好比众多乐手原本各自随意演奏，声音杂乱无章，但当他们在指挥的协调下，按照统一的节奏和相位演奏时，就能奏出和谐而精准的乐章。

锁模技术主要分为主动锁模和被动锁模两种。主动锁模是在腔内置入适当的损耗调制元件，如声光调制元件或电光调制元件 ，并使调制的频率 v┡正好等于由共振腔所决定的相邻纵模频率间隔 δv=с/2L（с为光速，L 为腔长）。对于某个指定的纵模而言，由于受频率为 v┡的幅度调制，其频谱结构图中的侧边带正好与其相邻的两个其他纵模频率位置相重合，通过调制侧边带使不同振荡纵模之间发生能量耦合并进而形成同步振荡或位相锁定式的振荡。

被动锁模则是在自由振荡激光器谐振腔中插入可饱和吸收染料 ，通过其非线性吸收特性调节腔内的损耗。当满足锁模条件时，便可获得一系列的锁模脉冲。染料的可饱和吸收系数随光强的增加而下降，信号的透过率大于弱信号。在低强度情况下，光子经过可饱和吸收体时被吸收，电子跃迁到高能级态，很快又经过非辐射跃迁过程回到基态，吸收体又可以吸收其他光子。在高强度极限下，大量光子同时入射，有效地抽运并饱和了吸收介质，其他入射光子可以无吸收地通过吸收介质，实现了阻止低强度光、通过高强度光的饱和吸收作用。被动锁模的优点是方法简单、装置轻便，不过锁模稳定性和重复性不如主动锁模。在某些使用要求下，也可同时采用主动锁模与被动锁模的方法，以获得更好的效果。

（二）CPA 放大技术：突破能量瓶颈

仅仅有超短脉冲还不够，要让超快激光发挥更大的作用，还需要足够高的能量。啁啾脉冲放大（CPA）技术的出现，成功突破了能量瓶颈。

在激光放大过程中，激光物质存在一个临界功率，在很长时间内一直限制着激光放大 。传统的方法在提高单个脉冲激光能量时，超高的激光峰值功率会对增益介质造成损害。虽然增大激光光束直径有助于降低峰值功率，但效果有限，还对激光晶体的生长提出了过高要求。

CPA 技术的原理巧妙地解决了这一难题 。首先，生成一个小能量的超短激光脉冲，也就是 “种子光”。由于激光服从量子力学的测不准原理，当激光脉冲很短时，激光的波长就有一定的分布范围。利用光栅或者光纤可以把不同波长的光分开，让它们经过长短不同的路径以后再重新汇合，这样就可以把脉冲的持续时间拉长，这个过程就叫做 “啁啾” 。适当设计的系统可以把激光脉冲的宽度拉长几万倍甚至几十万倍，从飞秒的量级拉伸到皮秒甚至纳秒，在此过程中，由于能量守恒，激光脉冲的峰值能量也会下降相应的倍数。

随后，将拉伸后的宽脉冲通过激光晶体进行放大 。此时，因为脉冲宽度很大，峰值功率很低，即使放大很多倍也不会损坏激光晶体，从而使单个脉冲可以拥有很高的能量。最后，再反过来应用啁啾系统，把这个能量很大但持续时间也很长的激光脉冲挤压到很短的时间里，就得到了能量很大、持续时间很短的激光脉冲。

CPA 技术就像是一个能量 “魔法盒”，先把激光脉冲的能量分散开来进行安全放大，再将放大后的能量集中爆发，使激光功率提高了 1000 倍到 TW 级 ，并得以从此稳步提高。也正是因为这一杰出的技术，法国物理学家热拉尔・穆鲁和加拿大物理学家唐娜・斯特里克兰获得了 2018 年诺贝尔物理学奖。

超快激光的独特优势

（一）冷加工特性：热影响趋近于零

超快激光最显著的优势之一，就是它近乎零热影响的冷加工特性。在传统的激光加工中，较长的脉冲持续时间使得能量持续输入材料，就像持续给一个小水池注水，热量在材料中逐渐积累并扩散，导致加工区域周围的材料受到热影响，可能出现变形、熔化、热应力集中等问题 。而超快激光则截然不同，它的脉冲宽度极短，以皮秒和飞秒为单位，在如此短暂的时间内，能量瞬间释放。这就好比是向小水池快速地泼入一桶水，水在还没来得及扩散时就已经完成了 “任务”，热量来不及在材料内部扩散，从而极大地减小了热影响区。

以手机摄像头盖板的切割为例，传统的切割方式如果热影响过大，可能会导致盖板边缘的材料出现微裂纹，或者使盖板的光学性能受到影响，降低成像质量。而采用超快激光进行切割，由于其冷加工特性，能够避免这些问题，确保切割后的盖板边缘整齐、光滑，不影响其光学性能和后续的使用。在电子芯片制造中，芯片上的电路线条宽度越来越小，对加工精度和热影响的控制要求极高。超快激光的冷加工特性可以在不损伤周围电路的情况下，精确地刻蚀和加工芯片，保证芯片的性能和可靠性 。这种冷加工特性，使得超快激光在对热敏感材料的加工，如高分子材料、生物材料等，以及对加工精度和热影响要求极高的精密加工领域，展现出无可比拟的优势。

（二）超高精度：微米与纳米级的雕琢

超快激光在精度上的表现同样令人惊叹，能够实现微米与纳米级别的高精度加工。这得益于其超短的脉冲宽度和超高的峰值功率。在加工过程中，超快激光能够精确地控制能量的作用范围，就像一位技艺精湛的微雕大师，在微观世界里进行精细的雕琢。

在电子领域，随着电子产品不断向小型化、高性能化发展，对电子元件的加工精度提出了极高的要求。例如，在制造手机主板上的微小电子元件时，超快激光可以在极小的空间内进行钻孔、刻线等加工操作，精度可达微米甚至纳米级别，确保电子元件的性能和可靠性 。在医疗领域，超快激光的高精度加工也发挥着重要作用。比如，在制作心脏支架时，传统的加工方法很难满足其高精度的要求，容易出现毛刺多、切槽宽度不统一、表面烧蚀严重、筋宽不均匀等问题 。而超快激光能够精确地切割和成型，制作出表面光滑、尺寸精准的心脏支架，减少对血管的刺激，提高手术的成功率和患者的康复效果。此外，在制造生物医疗微针时，超快激光可以制造出直径仅为几微米的微针，用于药物输送和生物检测，为医疗技术的发展提供了有力支持。

超快激光的广泛应用

（一）医疗领域：开启精准治疗新时代

在医疗领域，超快激光正掀起一场精准治疗的革命，其中飞秒激光在眼科手术中的应用最为人熟知。以近视矫正手术为例，传统的手术方式可能会存在切口较大、对角膜损伤较大等问题，而飞秒激光的出现改变了这一局面。飞秒激光可以精确地制作角膜瓣，其精度可达到微米级别 。在制作角膜瓣的过程中，飞秒激光能够以极高的准确性控制切割的深度和形状，避免了传统手术刀可能带来的误差，大大提高了手术的安全性和准确性。而且，由于飞秒激光手术是通过激光脉冲来完成，无需进行传统的刀片切割，属于微创方式，术后恢复更快，患者的不适感也明显降低 。据统计，接受飞秒激光近视矫正手术的患者，术后视力恢复良好，大部分患者在短时间内就能达到或接近预期的视力效果，极大地改善了生活质量。

除了近视矫正，飞秒激光在白内障手术中也发挥着重要作用。在传统的白内障手术中，医生主要依靠手工操作，通过超声乳化技术将混浊的晶状体打碎并吸出，然后植入人工晶状体 。这种手术方式对医生的经验要求较高，且存在一定的风险，如可能会对眼内组织造成损伤。而飞秒激光辅助的白内障手术则利用飞秒激光的高精度特性，在手术开始前，医生可以通过计算机断层扫描（CT）或光学相干断层扫描（OCT）等技术获取患者眼部的详细信息，然后根据这些信息，利用飞秒激光精确地对晶状体进行切割和乳化 。这样不仅可以提高手术的精度和安全性，减少对眼内组织的损伤，还能使人工晶状体的植入更加精准，提高术后的视觉质量。研究表明，采用飞秒激光辅助白内障手术的患者，术后并发症的发生率明显降低，视觉恢复效果更好。

在心脏支架切割方面，超快激光同样展现出巨大的优势。心血管支架作为治疗心血管疾病的重要医疗器械，对制造工艺的要求极高。传统的光纤激光切割技术在切割过程中会产生大量的熔渣和毛刺，热效应十分显著，容易在支架材料内部形成微裂痕，严重削弱了支架的机械性能 。而且，切割后的支架需要经历一系列复杂且繁琐的后处理工序，包括精细的清洗、耗时的研磨、严格的酸洗、必要的钝化以及精细的电化学抛光等，这些工序不仅增加了生产成本，延长了生产周期，还会导致约 10% 的支架在处理过程中受到进一步的损伤或破坏，最终的良率仅能维持在 70% 左右 。而超快飞秒激光切割技术以其独特的优势，为心血管支架的制造带来了革命性的变革。飞秒激光的脉宽极其短暂，仅为 10⁻¹⁵秒，能够实现近乎无热效应的 “冷” 加工 。在这一过程中，材料几乎不会发生熔融和氧化现象，从根本上杜绝了微裂痕的产生，大幅提升了支架的机械性能。相关实验数据表明，采用超快飞秒激光切割的支架，其机械强度比光纤激光切割的支架高出 20% 以上，使用寿命延长了至少 30% 。同时，飞秒激光凭借其超高的精度，能够实现微米甚至纳米级别的精准切割，切割后的支架表面完全没有毛刺和熔渣，呈现出如镜面般的光滑，为后续的药物涂覆和细胞附着创造了理想的条件。此外，由于超快飞秒激光切割技术避免了繁琐的后处理工序，大大简化了生产流程，从而使支架的良率从传统光纤激光的 70% 左右跃升至 90% 以上 。这一显著提升不仅减少了材料的浪费，降低了生产成本，还极大地提高了生产效率，为企业带来了可观的经济效益。

（二）工业制造：重塑传统加工工艺

在工业制造领域，超快激光正在重塑传统的加工工艺，为汽车、航空航天等行业带来了新的发展机遇。在汽车制造中，随着汽车智能化、轻量化的发展趋势，对零部件的加工精度和质量提出了更高的要求。超快激光的高精度和冷加工特性正好满足了这些需求。例如，在车载玻璃加工方面，传统的加工方式存在效率低、质量差、良率低、成本高的问题 。刀轮开料后，CNC 加工一片汽车中控盖板玻璃外形耗时长达 8 - 10 分钟，刀轮开料崩边＞1mm，CNC 外形崩边＞200μm，需要大量的磨边处理，而且工序本身加工良率不高加上流转损失，导致整体良率不足 90％ 。为匹配产能需要更多的 CNC 设备、人工、耗材以及场地，制造成本高。而超快激光技术为玻璃加工行业带来了更好的解决方案。华工激光面向车载显示玻璃行业推出的光刃系列第五代旗舰新品 —— 光刃 X5 车载玻璃激光开料自动化产线，适用于车载显示盖板玻璃、内饰玻璃等大幅面玻璃异型开料切割 。该产线采用超大行程高速高精度控制技术，运动行程 3.5m * 1.5m，最大加速度 1G，最大加工速度＞1m／s，加工精度＜0.02mm；配置 100 - 300W 超快激光器，切割效率相比传统激光器高 3 倍，实现 17mm 玻璃一刀切；整合多个生产工序，效率提升 80％，1 台相当于 20 台 CNC；运用第三代激光成丝切裂技术，切割能力强、质量好，0.3 - 2mm 以内平板玻璃实现一刀切＋一刀裂，崩边＜30μm；还具备全智能分拣技术，智能兼容、随心排产，节省 28％材料、48％人工，空间节省 70％，同时无切削液污染，环境友好。

在航空航天领域，超快激光的应用更是不可或缺。航空航天零部件通常采用高强度、耐高温的材料，如钛合金、镍基合金等，这些材料的加工难度极大。传统的加工方法，如机械加工、电火花加工等，存在加工效率低、精度难以保证、对材料损伤大等问题。而超快激光能够在不损伤材料基体的前提下，实现高精度的加工。以航空发动机涡轮叶片的加工为例，涡轮叶片是航空发动机的核心部件之一，其形状复杂，对加工精度要求极高 。超快激光可以通过精确控制脉冲能量和加工路径，在涡轮叶片上加工出微小的冷却孔和复杂的气膜结构 。这些冷却孔和结构对于提高涡轮叶片的冷却效率、增强发动机的性能至关重要。与传统加工方法相比，超快激光加工不仅提高了加工精度和效率，还减少了材料的浪费，降低了生产成本。在制造飞机的蒙皮时，需要在蒙皮上加工出大量的铆接孔。超快激光可以快速、精确地完成这些孔的加工，而且加工后的孔壁光滑，无毛刺和热影响区，保证了铆接的质量和飞机结构的安全性。

（三）科研前沿：探索微观世界的钥匙

在科研前沿领域，超快激光是科学家们探索微观世界的重要工具，为多光子激发显微镜、强场物理等研究提供了强大的支持。在多光子激发显微镜中，超快激光发挥着关键作用。多光子激发显微镜是一种高分辨率的显微镜技术，能够实现对生物体内组织和细胞的三维成像，并且具有非侵入性和高灵敏度等特点 。其原理是利用超短脉冲激光在生物材料中的非线性光学效应实现的。当光束穿过生物组织时，其非线性光学效应会导致组织中的光子被非常高效地吸收，导致局部光子密度的增加 。在这种情况下，光子之间的非线性相互作用导致光子的再吸收，引起光子浓度的非线性扩增，最终导致了光子的串扰和二次谐波产生 。通过侦测这种二次谐波信号，我们可以获取生物组织中的高分辨率图像。超快激光的短脉冲特性使得在多光子激发过程中，能够在极小的空间范围内实现高能量密度的激发，从而提高成像的分辨率和对比度 。利用多光子激发显微镜，科学家们可以深入研究生物体内细胞的结构和功能，观察细胞的代谢过程、蛋白质的表达和分布等，为生命科学的研究提供了重要的手段。在神经科学研究中，研究人员可以通过多光子激发显微镜观察神经元之间的连接和信号传递，深入了解大脑的神经活动机制，为治疗神经系统疾病提供理论基础。

在强场物理领域，超快激光的超高强度和超短脉冲特性为研究极端条件下的物理现象提供了可能。当超快激光与物质相互作用时，能够产生极高的电场强度和光压，使物质处于高度激发的状态，甚至发生电离 。科学家们利用这种特性，可以研究原子和分子在强场中的电离过程、电子的动力学行为、高次谐波的产生等现象 。这些研究有助于我们深入理解物质与光的相互作用机制，拓展对微观世界物理规律的认识。例如，通过强场电离实验，科学家们发现了一些新的电离现象和量子力学效应，这些发现不仅丰富了物理学的理论体系，还为开发新型的光源和光电器件提供了新思路。在研究高次谐波产生时，科学家们利用超快激光与气体相互作用，产生了极紫外波段的高次谐波，这些高次谐波具有极短的脉冲宽度和高亮度，有望应用于光刻技术、超快光谱学等领域 。

超快激光的发展挑战与前景

（一）当前面临的技术瓶颈

尽管超快激光已经取得了显著的进展，但在发展过程中仍面临着诸多技术瓶颈。在功率提升方面，虽然 CPA 技术的出现让激光功率得到了大幅提高，但目前要进一步提升功率依然困难重重 。例如，在放大过程中，激光介质的非线性效应会导致脉冲的畸变和能量的损耗，限制了功率的进一步提升。像高功率下的自聚焦、自相位调制等非线性效应，就如同激光放大道路上的 “拦路虎”，使得激光光束的质量下降，难以实现更高功率的稳定输出。

成本降低也是超快激光面临的一大挑战。超快激光系统通常由多个复杂的光学元件、精密的控制系统和高性能的激光增益介质等组成，这些组件的研发、生产和制造都需要高昂的成本 。以钛宝石激光器为例，其核心的钛宝石晶体生长难度大，成本高昂，再加上复杂的锁模和放大系统，使得整个激光器的价格居高不下，这在一定程度上限制了超快激光在一些对成本敏感领域的广泛应用 。而且，超快激光系统的维护和运行成本也相对较高，需要专业的技术人员进行操作和维护，进一步增加了使用成本。

稳定性提高同样不容忽视。超快激光系统对环境因素较为敏感，温度、湿度、振动等外界条件的微小变化都可能影响激光的输出特性，导致脉冲能量、脉宽、频率等参数的不稳定 。在工业生产中，激光输出的不稳定可能会导致加工质量的波动，降低生产效率和产品质量。例如，在汽车零部件的超快激光加工中，如果激光脉冲能量不稳定，可能会使加工后的零部件尺寸精度出现偏差，影响产品的性能和可靠性。

（二）未来的发展趋势与展望

尽管面临挑战，但超快激光的未来发展趋势依然十分乐观。在技术突破方面，新型激光材料和器件的研发有望为超快激光带来新的发展机遇。研究人员正在探索新型的激光增益介质，如新型晶体材料、纳米材料等，这些材料可能具有更高的增益系数、更低的非线性效应和更好的热稳定性，有助于提升超快激光的功率和性能 。在器件方面，新型的光学调制器、脉冲压缩器等的研发，也将为超快激光系统的优化提供可能。

超快激光的应用拓展前景也十分广阔。随着技术的不断成熟，超快激光将在更多领域得到应用。在量子计算领域，超快激光可以用于制备和操控量子比特，为量子计算机的发展提供技术支持 。在新能源领域，超快激光可以用于太阳能电池的制造和修复，提高太阳能电池的转换效率和稳定性。在生物医学领域，除了现有的应用，超快激光还有望用于基因治疗、细胞修复等前沿领域，为人类健康带来更多的福祉 。可以预见，未来超快激光将继续在科研、工业、医疗等领域发挥重要作用，推动各行业的技术进步和创新发展，为人类社会的发展做出更大的贡献。

总结：拥抱超快激光的未来

超快激光，这一在时间尺度上达到极致的前沿科技，从理论的提出到实验室的突破，再到广泛的实际应用，正以其独特的优势改变着我们的世界。它的诞生是科学发展的重大成果，锁模技术和 CPA 放大技术赋予了它超短脉冲和高能量的特性。

冷加工特性和超高精度使超快激光在众多领域展现出无可比拟的优势，医疗领域中实现精准治疗，工业制造里重塑加工工艺，科研前沿上成为探索微观世界的有力武器。尽管目前面临着功率提升、成本降低和稳定性提高等技术瓶颈，但新型激光材料和器件的研发以及应用领域的不断拓展，让我们对超快激光的未来充满信心。

超快激光的发展不仅推动了科学技术的进步，也为人类社会的发展带来了新的机遇。让我们共同关注这一前沿科技，期待它在未来绽放出更加耀眼的光芒，为我们创造更美好的生活。