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1、200811820022012年5月飞秒激光器的应用研究 The Study of the Applications of Femtosecond Laser摘 要 飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段，它的独特优势使飞秒激光器在各领域的应用倍受关注，飞秒激光器在高速光通讯、强场科学、纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用。通过研究其应用现状以及供需量，不但可以了解飞秒激光的基本特性与工业优势，并且可以给各企业的激光器开发提供参考。 首先，本文对飞秒激光的物理特性及主要用途进行了概述，阐述了飞秒激光的优势与特性。通过翻阅资料与数据，对飞秒激光器国际方面应用现状进行分析。虽

2、然目前飞秒激光器在激光加工行业所占份额很小，但是它的应用前景不可估量。在数据分析之后，以实际考察以及案例分析的方法，对飞秒激光器在中国的应用现状进行了分析，由于飞秒激光微加工在国内运用少之又少，但是在屈光矫正方面应用广泛，并对此进行详细的考察。结论得出，飞秒激光目前处于供小于求的状态，若广泛引进可以达到很高的效益。关键词：飞秒激光 工业应用 眼科应用 AbstractCurrently, femtosecond laser is the shortest pulse technology which we can obtain in the laboratory conditions. Due

3、 to these advantages, the applications of the femtosecond laser in different fields raise folks attentions. Femtosecond lasers have a great applying prospect in high-speed optical communication, strong field science, Nano science, biology medicine. To study the market situation and the demands and s

4、upply, not only can we grasp the information of the major nature and industrial advantages of femtosecond laser, but also can give the departments of retailer and the manager a great reference to make the long-term strategic plan.Firstly，the physical characteristics and the use of femtosecond has be

5、en illustrated basically. It is illumined the unique advantages and nature of femtosecond laser. Then, I analyzed the international market of the femtosecond laser via the date and paging the information. Although the industry of femtosecond laser accounts for a small market share, it has a mega int

6、ernational market prospect. Through the investigation and case analysis, the Chinese market of femtosecond lasers is analyzed. Due to the little application of femtosecond laser in the domestic micro processing field and the wide use in LASIK, I laid more emphasis in the biology and medicine market

7、and made the conclusion, that recently the supply of the femtosecond laser is less than the demands, if abundant equipment can be imported, it can bring large quantities of economic effects.Key words: Femtosecond laser industrial application ophthalmology application目 录摘要 IAbstract II绪论 11 飞秒激光的物理特性

8、及主要用途概述 21.1 飞秒激光的物理特性 21.1.1 飞秒激光物理性质 21.1.2 飞秒激光脉冲的产生 21.1.3 飞秒激光优势 31.2 飞秒激光器的主要应用 41.2.1 生物医疗 41.2.2 工业机械微加工 41.2.3 微电子光学加工 52 飞秒激光器国际应用情况分析 72.1 飞秒激光器的全球商业化概述 72.2 全球激光器主要生产厂商情况 93 飞秒激光器中国应用分析 113.1 飞秒激光器的生产情况 113.2 案例分析及数据调查 123.2.1 飞秒激光治疗近视的优势 123.2.2 飞秒激光近视矫正应用需求分析 13结论 15致谢 16参考文献 17绪 论飞秒激光

9、的3大特点是超短、超强和高聚焦能力。飞秒激光脉宽可短至4 fs（1 fs=10-15 s）以内，功率高达帕瓦量级（1 Pw=10-15w），聚焦功率密度达到1020-1022 Wcm2。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、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。目前，飞秒激光器已经投入市场使用，并在精密仪器制造以及医疗器械上都有所应用，并且显示了其优越的性能，深得购买商的喜爱，是较为前沿的激光技术。当前，微制造技术的快速发展向加工尺度和精度提出了挑战需要将加工精度延伸到亚微米甚至纳米量级，并且实现真正意义上的三维

10、立体微加工，而传统的连续和长脉冲激光主要依靠聚焦产生的高温来烧蚀材料，热扩散范围大，加工精度有限，而紫外激光对大多数材料不透明，因而使用上也受到限制。利用飞秒激光微加工技术有望克服上述传统激光加工技术所面临的各种困难，它可以突破光学微加工方法中由于衍射极限给加工精度带来的限制，并有能力直接在透明材料内部加工出真正的三维微结构。因此在工业应用上诸多精密仪器加工以及精密手术医疗行业都青睐于新兴的飞秒激光器。通过调查用户需求、可以切实了解飞秒激光器的应用，了解产品发展趋势，能够为生产企业对产品进行定位 14。 1飞秒激光的物理特性及主要用途概述1.1飞秒激光的物理特性飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激

11、光，持续时间非常短，只有几个飞秒，一飞秒就是10的负15次方秒，也就是11000万亿秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍。这是飞秒激光的第一个特点。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍2-9。1.1.1 飞秒激光物理性质超短脉冲激光技术从20世纪80年代开始，经历染料飞秒激光和固体飞秒激光的发展，开辟了飞秒激光的应用时代。飞秒激光脉冲宽度极短，聚焦后可在较低的脉冲能量下获得极高的峰值功率密度（1020W/cm

12、2以上），焦点出的光电场强度比原子内部库伦电厂还要高14。产生超短脉冲的的激光需要用的锁模技术，实现锁模的方法有很多种，但一般可以分为两大类：即主动锁模和被动锁模。主动锁模是指通过由外部向激光器提供调制信号的途径来使周期性改变激光器增益或损耗从而达到锁模目的；而被动锁模则是利用材料的非线性吸收或非线性相变的特性来产生激光超短脉冲。目前最为广泛使用的一种产生飞秒激光脉冲的克尔透镜锁模技术是一种独特的被动锁模方法。克尔透镜锁模实际上是利用材料的折射率随光强变化的特性使得激光器运转中的尖峰脉冲得到的增益高出连续的背景激光曾以从而最终实现短脉冲输出。1.1.2 飞秒激光脉冲的产生单一频率的激光持续性的

13、发光，其振幅不随时间改变。要制造出激光脉冲，可把两个相位相同、频率不同的波相加，此时就会产生所谓的拍频，加强性干涉的部分就会大幅增强、相消性干涉的部分就会相互抵消。与多条相位相同、频率不同的波相加时，产生的拍频也就越短，峰值的强度也就越大10。要让激光产生如此短的脉冲，必须同时符合多种条件。首先，激光放大器本身要拥有较好的激光机制，这样才有办法放大各种频率以求符合前述的激光。目前最新的激光介质是“掺钛蓝宝石晶体”的材料，在1.5m长的共振腔中大约可以放大100万个等间隔频率的光线，如果这些光线能有相同的相位，那么干涉效果可以把光波加强成100万倍的强度，而脉冲的长度则可以缩小100万倍。其次，

14、要有脉冲压缩机制。激光现在聚焦的过程中，由于光学克尔效应的关系，高强度的光线会更加的增强其效果，但其他低强度的部分则会被额外装置的光圈所阻挡，丧失其效用。在这样的装置下，激光的高强度部分被放大得比较多，会越来越强，自然就能产生高强度短脉冲的激光。最后，要具有腔内色散补偿的功能。在介质中，不同波长的光线速度并不相同，折射率也不同。光线通过介质时，也会产生不同的折射，但要产生飞秒脉冲，就要把这些不同波长的光线并不相同，折射率也不同。光线通过介质时也会产生不同的折射，但要产生飞秒脉冲，就要把这些不同波长的光线经由棱镜的作用补偿他们的光程差，才能达到所需的加强型干涉的效果。1.1.3 飞秒激光优势超短

15、、超强和高聚焦能力是飞秒激光的3大特点。由于作用时间极短，能量还没来得及扩散，材料已经被加热到极高的温度，直接以气相蒸发，这样在材料内部形成很大的温度梯度，同样，材料以气相蒸发带走大部分热量，热扩散对焦点周围影响很小，这样就克服了困扰长脉冲激光加工过程中热扩散带来的材料变形和熔化现象，实现了高精度加工1。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，从而对玻璃、陶瓷、半导体、塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工有很大的优势，具有其它激光加工无法比拟的优势3-5：耗能低，无热熔区，“冷”加工；可加工的材料广泛：从金属到非金属再到生物细胞组织，甚至是细胞内的线粒体；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；对环境没有特殊要求，无污染。飞秒激光微加工是当今世界激光、光电行业中极为引人注目的前沿研究方向。与长脉冲激光相比，飞秒激光的烧蚀阈值低而且阈值能量偏差很小，因此，应将激光的能量控制在正好等于或略高于烧蚀阈值，那么则只有高于烧蚀阈值的部分产生烧蚀，因此可以进行低于衍射极限的亚微米加工。另外，由于透明材料为脆性材料，长脉冲激光产生的热应力会使之炸裂，但是超短脉冲激光产生的热影响比较小，从而可以对其进行精密加工。12飞秒激光器的主要应用世界各国学者在飞秒激光与材料相互作用机理研究方面