皮秒激光器的原理及应用.docx
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皮秒激光器的原理及应用
皮秒激光器的原理及应用
*激光技术对国民经济及社会发展的重要作用：
激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计
算机齐名的四项重大发明之一。
随着激光技术的不断发展，激光应用已经渗透到科研、产业
的各个方面，在汽车制造、航空航天、钢铁、金属加工、冶金、太阳能以及医疗设备等领域
都起到重要作用。
激光产业在我国发展了五十多年，已经与多个学科形成了不同类型技术应
用，比如光电技术，激光医疗与生物光子学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全
息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光雷达、
激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等。
激光器及其配件在激光产业的整个产业链中占有非常重要的地位，属于技术和专业性都
很强的产业。
激光通信、激光存储和激光显示主要应用在信息领域。
激光加工（包括激光切割、激光
焊接、激光打标、激光钻孔等）和激光医疗则在医学和工业上应用广泛。
超短激光脉冲的激光切除的优点在很多应用中得到了证实，直到最近也没有在工厂的地
板上发现这些应用的工业副产物。
在工业应用中，除去质量因素以外，可重复生产性和每个
零件的成本也是很重要的标准。
激光系统的可靠性当然和所使用的激光技术直接联系在一起。
每个零部件的成本基本上
和超短激光脉冲的重复频率直接联系在一起。
高附加值，高重复率的生产力，可靠的技术等
所有这些要求仅仅在最近通过二极管泵浦的皮秒激光器才完成。
皮秒激光器在大规模生产中的第一次应用在ThePhotonicsWest2005上被报道。
20ps脉
冲持续时间的1μJ的脉冲被聚焦到薄的钢箔上，在脉冲光束的方向上一系列同心环被去除。
不同的同心圆环形成一个园盘，去除材料的不同圆盘形成一个锥形孔，这个孔在专业的高质
量的打印头中作为注入墨水的喷嘴。
在过去几年中，绝大多数超快激光器制造商集中精力在
飞秒激光器的开发上。
这些激光器需要一种复杂的CPA技术来保持峰值功率密度在某一个
损伤阈值下的放大阶跃内。
用这种方式，可以产生mJ水平的脉冲能量，但是重复率被限制
在几KHZ。
比较而言几百μJ的高脉冲能量对厚材料的钻孔或切割是有利的。
柴油机的注入
喷嘴的钻孔就是一个例子，这里1mm厚的钢板材料不得不被精密的打孔以致不需要进一步
的清洁处理。
LUMERALASER为了这个应用开发了皮秒激光器STACCAT。
因为它的脉冲时间在皮秒范O
围内，STACCATO激光系统不需要CPA技术。
激光工作物质Nd：
YVO4允许用激光二极管直
接泵浦，使其具有高的脉冲能量和高的重复频率。
STACCATO激光系统在10ps的脉冲持续时
间内在1064nm时输出10W的平均功率，它的激光束接近衍射极限，能被很理想的聚焦。
*与飞秒激光器相比，达到100KHZ的非常高的重复频率保证了高的生产率。
在紫外光谱区
域许多材料有比较高的线形吸收系数，对材料的去除来说这是非常有利的。
从STACCATO发
出的红外激光辐射因为其非常高的峰值功率密度能够被转化成更短的激光波长532nm，
355nm和266nm。
当由STACCATO激光器产生的100μJ的光脉冲打到材料上时冷切除被触
发，但是快速扩散的等离子体仍然可能导致材料的热效应。
因此对一个好的结果而言，不但
超短激光脉冲的产生是重要的而且适当的工艺技术也是重要的。
据证明像开孔这样的工艺对
微机械加工结果而言不但适当的加工策略是重要的，而且偏振控制，适当的使用辅助气体和
真空喷嘴也很重要。
热引起的裂纹，液化点可以通过使用适当的加工策略避免。
图2左右分
别为在钢铁和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除时伴随着高脉冲能量的强等离子体
的形成引起了一个问题，即市场上能获得的超快激光器是否为精密的表面加工而设计得理想。
下面的考虑涉及到超快激光器对靠近表面的材料的精密去除的理想的参数。
在许多实验中一般的经验表明，如果在合理的的去除速率条件下最好的精度可以通过功
率密度选择在5-10倍的阈值超短激光脉冲获得。
对金属而言，这意味着10PS的脉冲的能量
密度应该为1J/cm2。
如果微机械加工的激光束被聚焦成典型的直径10μm的光斑，那么最
佳的脉冲能量应该为1μJ。
在这种情况下每个激光脉冲熔化的材料厚度的典型值为
10-100nm，等离子的形成是最小的，质量是很好的，可以加工出来0.1μm精度的微结构。
STACCATO皮秒激光器的100个脉冲处理后，材料按照定义的方式被去除，以致激光束
的轮廓被映射到材料上。
有希望的实际应用是为机械，化学，液体设计的金属部件的表面加
工。
皮秒激光器激光加工可以进行几乎所有高生产率的结构加工。
结构是通过STACCATO激
光器在50KHZ，将532nm的光辐射聚焦到直径为25μm的一个点上加工出来的。
涡轮叶片
表面的适当设计的结构能非常显著地减小摩檫力，燃料消耗和环境损坏。
作为上述内容的总结，表面加工激光器应该有皮秒级的脉冲持续时间，几μJ的中等脉
冲能量和非常高的重复率。
这样的激光器最近由LUMERA投入市场，这款激光器名为RAPID。
因为相对简单的设计，使RAPID这款激光器具有尺寸小的，结构紧凑的特点，它由皮秒激光
振荡器，放大器和非常快的Pockels核组成，以致它能提供高达500KHZ的重复率。
超快激
光器的微机械加工要求各种加工参数。
RAPID的重复率可以从外部进行控制。
单脉冲工作，
突发模式或任何外部定义的脉冲序列都可以通过TTL脉冲来触发。
这致使各种加工策略成为
可能，并能提供光束路径的控制。
光束束斑质量非常好，而且很稳定，在各种重复率的不同
环境下几乎没有任何影响，这些特点是非常显著的。
RAPID的激光束几乎接近衍射极限因此
表现出良好的可聚焦性。
它的脉冲持续时间大约为10ps，脉冲能量即使在高的重复率和转
换成532nm，355nm，266nm的条件下也是足够超过去除金属的阈值能量的。
脉冲与脉冲的
能量变化小于1%rms。
RAPID激光器的技术设计中，其输出激光参数、可控性能等指标表明该激光器是金属表
面加工的理想工具，如金属表面打孔，存储器的修补，以及在半导体工业中的打标等。
2μm激光器及其应用
*2um激光器的研究近来成为热门的课题之一，因为其在医疗等领域应用前景广阔。
人体组织中水的比例大约占70％，因而组织对光的吸收情况与水相似。
水在中红外波
段有两个强的吸收谱带，分别为2.5～4.0μm和5.6～10μm。
因此，当激光与人体组织相
互作用时，水对所用激光吸收系数的大小就决定了激光在组织中的穿透深度、损伤区域以及
手术精度等。
Nd:
YAG激光器的波长为1.06μm，可以用石英光纤传输，在医疗方面有不少应用。
但
是，由于水对它的吸收仅为0.1cm-1，在有些外科手术中，它的穿透深度较深，损伤区域较
大，手术精度不高，因此不宜使用。
Er:
YAG激光波长为2.94μm,水对它的吸收为3000cm-1，
属水的强吸收波段。
对医疗应用来说，铒激光器是一个十分理想的光源，然而令人遗憾的是：
铒激光不能用石英光纤传输，能够传输铒激光的非石英光纤容易断裂，防碍其临床应用。
Ho:
YAG激光波长为2.1μm，位于水较强吸收谱线。
水对其吸收约为25cm-1，是水对
Nd:
YAG激光吸收的250倍。
显然，水对Ho:
YAG激光的强吸收使其可以在大部分软组织和硬
组织中产生浅的穿透深度、高的手术精度和独特的凝血作用，大大限制了损伤区域。
在未来
几年中，它将逐步取代Nd:
YAG激光器。
虽然水对钬激光的吸收只是水对铒激光吸收的一百
二十分之一，然而钬激光能用低OH-的石英光纤传输，这就使钬激光能有效地工作在气体和
液体环境中，为医生切除软骨和其它硬组织提供精确的途径，使钬激光成为现有激光内窥镜
系统中最适宜的光源[37]。
钬激光在软组织中的外科手术精度与CO2激光相比较，可能略低
于CO2激光的手术精度，然而它能为大部分组织提供更好的凝血功能。
除此之外，二者之
间的最大区别是CO2激光不能用石英光纤传输，只能借助于笨重的关节臂来导光，十分不
便；而能用光纤传输的脉冲钬激光则是切除和烧蚀软骨以及其它硬的钙化的组织的有效工具。
因此有人称钬激光对于CO2激光来说具有挑战性，在某些手术中钬激光具有取代CO2激光
的潜力。
由于人体其它部分组织也都含有大量的水分，由此可以推出，人体组织对2.1μm的钬
激光均有强烈的吸收作用，这一特点使得钬激光器在医学上有着广阔的应用前景。
激光制冷的发展、应用及其它制冷技术
*制冷技术在促进国民经济建设以及推动科学技术发展中具有极其重要的作用，在农业方面，
如在水果蔬菜产区，储存水果蔬菜即需要大量的冷库寻找和开发更优越的低温制冷技术一直
是农产品储藏领域的研究热点。
随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，与国计民生息息相关的制冷空调行业也面
临着新的机遇和挑战，传统的制冷方式也逐渐暴露出其缺点和不足，尤其是限制破坏臭氧层
物质和温室效应气体相关协定的出台，对蒸汽压缩式制冷方式提出了严峻的考验。
不管是超导还是BEC，超低温都是其必不可少的条件。
从热力学开创至发展以来。
绝对
零度一直是一个可望而不可及的温度，尽管我们不可达到，但我们都试图去接近它。
不仅是
在热力学，在其他领域，绝对零度都是一个很值得去深究的问题。
我们通过一些超低温实验
来验证或者发现某些规律。
而激光制冷具有无振动、无噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、
可靠性高、寿命长、环保等优点，是我们努力研究的制冷方向，是通向超低温领域的一个必
不可少的途径。
一、激光制冷原理
激光制冷原理有两种：
多普勒制冷技术和反斯托克斯荧光制冷技术。
1.温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。
众所
周知，我们周围的一切分子和原子都在进行着永不停息的无规则的热运动。
而我们制冷的实
质就是降低这些分子或原子的总体上的热运动的剧烈程度。
激光制冷中的一个很重要的技术就是多普勒冷却技术，多普勒冷却技术的原理就是通过
激光发出光子来阻碍原子的热运动，而这个阻碍过程则是通过减小原子的动量来实现的。
那
么，激光究竟是如何来减小这些原子的动量呢？
*首先，量子力学提出，原子只能吸收特定频率的光子，从而改变其动量。
多普勒效应指出，
波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。
当观察者移动时也能得
到同样的结论。
同样，对于原子也是如此，当原子的运动方向与光子运动相反时，则此光子
的频率将增大，而当原子运动方向于此光子运动方向相同时，则此光子频率将减小。
然后的
话，另一个物理学原理就是光虽然没有静质量，但其具有动量。
那么综合以上几个个物理学
特性，我们就能构建出激光冷却的简单模型。
激光器的频率在一定范围内是可调的，而把激光器的频率调至略低于某原子的可以吸收
的频率时，就会有意想不到的结果。
当用这样一束光照射某一特定的原子时，就会发生这样
的情况。
如果原子是向着激光束运动时，由于光的多普勒效应，则光子的频率增加，而原来
激光光子的频率刚好是略小于原子的可吸收的频率，则此时由于多普勒效应则刚好被原子吸
收。
而这一吸收表现为动量改变。
因为光子的运动方向与原子的运动方向相反，则在光子与
原子碰撞之后，原子跃迁到激发态，并且动量减小，故动能也随之减小。
而对于其他运动方
向的原子，则其对应的光子的频率不会增加，所以不能吸收激光束中的光子，所以也不会有
动量增加这一现象的发生，相对于动能来讲也是一样。
当我们用多束激光从不同角度来照射
原子，则在不同运动方向上的原子的动量都会减小，从而动能减小。
而由于在激光只减小原
子的动量，所以在此过程持续一段时间后，大多数的原子的动量就会达到一个很低的水准，
从而达到制冷的目的。
但此技术所应用的范围大多是用于原子冷却，而对于分子，这种方法很难将其冷却到超
低温。
但超冷分子比超冷原子的意义更大，因为其属性更为复杂。
目前，冷却分子的方法是
将超冷碱原子结合在一起，产生双碱分子。
不久之前，耶鲁大学就曾经将氟化锶（SrF）冷
却到几百微开。
*2.另一种激光制冷也称反斯托克斯荧光制冷（AntistokesFluorescentCooling），是正在发展的
新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效应，利用散射与入射光子的能量差实现制冷。
反斯托克斯效应是一种特殊的散射效应，其散射荧光光子波长比入射光子波长短因此，散射
荧光光子能量高于入射光子能量，其过程可简单理解为：
用低能量激光光子激发发光介质，
发光介质散射出高能量的光子，将发光介质中的原有能量带出介质而制冷。
与传统制冷方式
相比，激光起到了提供制冷动力的作用，而散射出的反斯托克斯荧光则是热量载体。
由于制冷材料对泵浦光的吸收有限，激光冷却材料一般含有杂质离子如Cu2+Co2+Cr3+，
杂质中心会导致荧光猝灭和非辐射的多声子驰豫振荡和竞争，从而导致制冷效率降低，当前
试验效率均不高于3%
目前国内外研究主要集中在：
①进一步深化理论研究，寻找更适合能级结构的原子离子或其他基团，作为制冷元件的
荧光中心，以提高制冷循环的制冷量和制冷系数；
②优化光路设计，提高激光利用率；
③提高介质纯度，减少杂质引起的制冷消耗；
④改进系统设计，提高系统绝热系数，优化系统整体结构。
*二、激光制冷的发展
1.普勒激光制冷的发展
1975年，T.W.Hānsch和A.L.Schawlow首先建议用相向传播的激光束使中性原子冷却。
他们的方法是：
把激光束调谐到略低于原子的谐振跃迁频率，利用多普勒原理就可使中性原
子冷却。
1985年，华裔科学家朱棣文和他的同事在美国新泽西州荷尔德尔（Holmdel）的贝尔实
验室进一步用两两相对互相垂直的六束激光使原子减速。
他们让真空中的一束钠原子先是被
迎面而来的激光束阻碍下来，之后把钠原子引进六束激光的交汇处。
这六束激光都比静止钠
原子吸收的特征波长长一些。
而其效果就是不管钠原子向何方运动，都会遇上具有恰当能量
的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。
从而在这个小区域里，聚集了大量的冷却下来的
原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。
由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘
稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。
大家给这种机制起了一个绰号，叫"光学粘胶"。
但由于重力的作用，这一现象并为维持多久，因为其并未使原子陷俘。
1987年，磁光陷阱被做成，从而有了新的突破，它是用上述六束激光再加上两个线圈
组成。
线圈产生微小变化的磁场，该磁场最小值处于激光相交的位置，由于塞曼效应。
就会
产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。
从而原子被约束在一个很小的区域。
以便科学研究。
亚多普勒冷却
从多普勒激光冷却原理可知，多普勒激光冷却是有一个温度极限的，但是，科学家们却
发现冷却的原子温度却低于这个极限温度。
于是，又产生了亚多普勒冷却。
*1988年初，菲利普斯和他在美国国家标准技术院的小组研究了在光学粘胶中缓慢运动的中
性钠原子冷云团。
他们发现，原子的温度约为40μK，比预计的多普勒极限240μK低得多。
他们还发现，最低的温度是在与理论多普勒极限的条件相矛盾的条件下得到的。
之后，科学
家们便作出了产生这一现象的理论解释。
原来多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具
有简单的二能级谱。
可是实际上真正的钠原子都具有好几个塞曼子能级，不但在基态，而且
在激发态也是如此。
基态子能级可以用光泵方法激发，也就是说，激光能够把钠原子转变为
按子能级布居的不同分布，并引起新的冷却机制。
这种布居分布的细节依赖于激光的偏振态，
而在光学粘胶中，在光学波长量级的距离里偏振态会发生快速的变化。
故而，人们将这种新
的冷却机制称为"偏振梯度冷却"。
1989年，菲利普斯访问巴黎，他与高等师范学院的小组合作，共同证明了中性铯原子
可以冷却到2.5μK。
他们发现，和多普勒冷却一样，其它类型的激光冷却也有相应的极限。
以从单个光子反冲而得的速度运动的一团原子所相当的温度就叫反冲极限。
之后为了突破这
一极限，法国的研究小组和美国斯坦福大学的研究小组分别提出了速度选择相干布居数囚禁
（VSCPT，VelocitySelectiveCoherentPopulationTrapping）和拉曼跃迁冷却（RamanCooling）的冷却
方案。
2010年，科学家使用激光，把分子冷冻到接近绝对零度，这是单分子激光制冷首次达
到这样的低温。
向控制物质化学物理过程，制造量子计算机迈进了一大步。
上世纪七八十年代，物理学家就能将原子冷却到非常接近绝对零度的低温。
基本原理就
是用激光作用在原子上使之减速。
当原子被冷冻到接近绝对零度时，它们就会遵守特殊的量
子力学定律。
在与它们的低能级相应的状态下振动，这被用作超敏加速计和量子钟，原子本
身也会粘在一起形成一种"超级原子"，这就是著名的"玻色-爱因斯坦凝聚"。
*对分子制冷要比对单个原子更加复杂。
原子可以通过激光来制冷，因为来自激光束的光粒
子被吸收后，原子会重新发出一个光子，从而减少动能。
经过上千次这种反应滞后，原子就
被冷冻在绝对零度附近十亿分之几的范围内。
但分子比原子更重，更难对激光起反应。
而且，
分子会以原子键和旋转、自旋的方式储存能量，这些因素都让分子很难变冷。
2.反斯托克斯荧光制冷的发展
早在1929年，PPringsheim就提出通过反斯托克斯荧光对材料进行制冷的设想，但遭到
SV当日咯烷等人的强烈反对。
其后，他与反对派物理学家SVdrilow等人进行了长达16年的
论战，论战的焦点主要在于该制冷方法是否违背热力学的基本原理。
1946年著名的物理学家LLandan利用热力学的基本原理，吧发光物体与光组成的系统
作为热力学研究对象，证明了利用激光制冷是可能的。
1950年，法国学者AlfredKastler发现了"Lumino-caloric"效应。
他紧紧报道了实验中系统
温度升高的速度变小，没能观察到系统的温度降低。
1995年，美国LosAlamos国家实验室空间制冷技术研究组的Epstein及同事首次通过激
光诱导反斯托克斯荧光在固体材料上成功地获得可测量的制冷量。
1999年，低温物理学家EFinkeipen利用掺杂蓝宝石激光器激发GaAs/GaAlAs半导体量子
阱材料的空穴激子，实现空穴激子的反斯托克斯荧光发射，给出了不同温度下制冷效率与制
冷温度的关系。
中国科学院激发态物理开放实验室的科研人员在理论研究中，先后提出了反斯托克斯荧
光制冷的单中心制冷物理模型、能量传递模型及双机制并行的物理模型
首先，得介绍一下，在二十世纪七八十年代以后，科学家们在实验室能够达到的最低温
度可用μK作单位的温度了。
可想而知，激光冷却与我们科学研究的意义。
激光制冷的优点
是可冷却温度低，但其也有局限性，因为其可冷却空间极小。
激光制冷技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱和
超高精度的量子频标（原子钟），后来成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。
虽然
早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用，只是在激光器发明之后，才发展了
利用光压改变原子速度的技术。
激光冷却有许多应用，如：
原子光学、原子刻蚀、原子钟、
光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、费米子凝聚态、原子激光、高分辨率光谱以及光
和物质的相互作用的基础研究等等。
然后还有最近的超冷分子，其为量子计算机的制造提供
了可能性依据。
玻色-爱因斯坦凝聚
提到激光制冷就不得不提到BEC（Bose-Einsteincondensation）玻色-爱因斯坦凝聚。
早
在1924年印度物理学家玻色提出以不可分辨的n个全同粒子的新观念，并且将这篇论文寄
给了爱因斯坦，进过对这一问题进行研究之后，预言当这类原子的温度足够低时，会有相变
-新的物质状态产生，所有的原子会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是我们所说
的玻色-爱因斯坦凝聚。
但由于一直无法使物质接近接近绝对零度，从而一直未观察到此状态。
之后，从20世
纪90年代以年来，由于大家所熟知的三位物理学家（Chu（朱棣文），Cohen，Phillips）的杰
出工作，激光冷却与囚禁中性原子技术得到了极大发展，为玻色-爱因斯坦凝聚奇迹的实现
提供了条件。
直到1995年，人们从实验室获得了这一状态。
*由于BEC的种种性质，我们可以利用BEC的这些特殊状态做出些通常物质无法做到的东
西。
这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。
激光就是光子的玻爱凝聚，
在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。
超导和超流也都是玻爱凝聚
的结果。
又比如说原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应
用于太空航行和精确定位等。
玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种
特性，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存
了起来。
除此之外，原子激光也是BEC产物。
而且与此相对的费米子凝聚态也是通过BEC
达到，其将促进人们对超导的研究。
然而促成这一切的就是激光制冷。
超冷分子
这种超冷分子有助于科学家研究量子力学的化学属性。
超低温度下，极性分子可被看作
是微小的磁体，有着南北两极，研究人员可利用这一性质，构建一个反应系统，让极冷粒子
在其中相互反应，而这用超冷原子是做不到的。
研究人员表示，最终超冷材料将应用在量子计算机上。
由于超冷分子具有"磁体"特征，
这意味着分子之间能通过磁场互相反应。
使它们能执行分类量子计算，可能会突破现有计算
机的编码和解码问题，实现量子重叠与牵连原理产生的巨大计算能力。
这是当前最大的超级
计算机由于物理化学方面的限制而无法实现的。
量子计算机（quantumcomputer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、
存储及处理量子信息的物理装置。
量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。
其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的，量子计算机大规模运算的方式其实
就类似于普通电脑的批处理程序，其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行高
速的量子修补，但是其精确度和速度也是普通电脑望尘莫及的。
*大规模集成电路
对于大规模或超大规模集成电路来说由于内部的电子元件数量巨大，往往发热都非常严
重。
对其制冷后，它可以在85℃以下正常工作，工作温度相对来说比较高。
而较高的工作
温度对于荧光制冷意味着比较高的制冷效率。
空间遥感领域
目前空间探测器上普遍使用的
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