飞秒激光器的原理、结构和作用是什么？
发布时间：2020-08-24 18:03
飞秒激光器是仅以千兆分之一秒左右的超短时间放光的“超短脉冲光”发生装置。是一种可以满足顾客需求的系统，飞秒激光器可工作于十分恶劣的工作环境。
飞秒激光器是什么？
飞秒激光器是仅以千兆分之一秒左右的超短时间放光的“超短脉冲光”发生装置。飞是国际单位制词头飞托的缩写，1飞秒=1×10-15 秒。所谓脉冲光是仅在一瞬间放光。照相机的闪光的发光时间是1微秒左右（即百万分之一秒），所以飞秒的超短脉冲光只有其10亿分之一左右的时间放光。众所周知，光速是以30万千米每秒（1秒间绕地球7周半）无与伦比快的速度飞驰而过，但是在1飞秒期间连光也只不过前进了0.3微米。
通常，我们用闪光摄影能够剪下活动物体的瞬间状态。同样如果用飞秒激光器闪光，则连以剧烈速度进行化学反应的过程，都有可能看到其反应的每个片断。为此，可以使用飞秒激光器来研究化学反应之谜。
现在飞秒激光器还应用于物理、化学、生命科学、医学、工程等广泛领域，特别是光与电子携手，期待在通信或计算机、能源领域开辟各种新的可能性。这是因为光的强度几乎可以毫不损耗地从一地到另一地传输大量信息，使光通信进一步高速化。在核物理学的领域，飞秒激光器带来了巨大冲击。因为脉冲光具有非常强的电场，在1飞秒内有可能将电子加速到接近光速，所以，能够用于加速电子的“加速器”。
飞秒激光器的原理及结构
激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。处于激发态的原子是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子会自发辐射而产生光子。而在有外界作用下，则会增加两种新的形式：受激辐射和受激吸收。激光是通过受激辐射来实现放大的光，而光和原子系统相互作用时，总是同时存在着自发辐射、受激辐射、受激吸收（在有外界作用下，自发辐射相对较弱，可以忽略）。
飞秒激光器为了能产生激光，就必须使受激辐射强度超过受激吸收强度，即使高能态的原子数多于低能态的原子数。这种不同于平衡态粒子分布的状态称为粒子数反转分布。也就是，飞秒激光器要产生激光，必须实现粒子数反转分布。
粒子数反转分布是产生激光的一个必要条件，而要实现粒子数反转分布和产生激光还必须满足三个条件：
①要有能形成粒子数反转分布的物质，即激活介质（这类物质具有合适的能级结构）；
②要有必要的能量输入系统给激活介质能量，使尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态以实现粒子数反转，这一系统称作激励能源（或泵浦源）；
③要有光的正反馈系统——光学谐振腔，当一定频率的光辐射通过粒子数反转分布的激活介质时，受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数可使光辐射得到放大，要使这种光放大并且以一个副长光子感应产生一个受激发射光子的单次过程为主，还能形成高单色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必须使用光学谐振腔。
因此，常用飞秒激光器由三部分组成：激活介质、激励能源、光学谐振腔。
飞秒激光器的特点
飞秒激光器的主要特点是超高速和超强电场。飞秒激光脉冲的峰值功率非常高，一旦将这种光聚焦到很小的范围内就有可能无热影响地照射材料使其直接电离，从而产生强大的电场和磁场。飞秒激光照射在材料上时，材料对光子的吸收机理与普通激光加工时的光子吸收机理不同。
在普通激光加工当中，能量低时光子则不被吸收，而飞秒激光的光子密度较大，即使单光子的能量比吸收光谱的能量小也可能被材料吸收。飞秒激光加工通过聚光透镜的聚光点产生多光子吸收，从而实现对材料内部的加工。而且飞秒激光照射时不会产生热变形和热变质等损伤，也不会对随温度升高而产生物理变化的半导体材料、脆性材料造成损伤，并可实现高精密加工。
飞秒激光器的作用
众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光器的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞秒激光器在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。由于飞秒激光器具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。
