飞秒激光的应用

筇３　９卷，筇３期　２００２年３Ｈ　激光与光电子学进展　Ｙｎｌ　３９．　０　３　Ｍａｒ　２００２　飞秒激光的应用　定向ｘ射线和Ｙ射线束；　非线性量子电动力学实　触发光棱反应，热核反应　技术对　儆外科也是有益的　此种技术的率质在于，物质　飞秒激光的独特性质决定它在　科学技术和医学等不同领域有广泛　验；　的散射光束与参考光束干涉改　变光束问的延迟，町得到不『亓ｊ深　应用　超短脉冲实际应用的效率　快速点火。　是由脉冲的最小宽度及与其有关的　４与宽度为数光波周期的脉冲　葡时相干度、最大峰值功率和强　高功率有关的应用：　度　长时相　度和超氟脉剐ｒ序列的　直至ｘ射线辐射波段的高次　高平均功率等决定的　下面列出超　谐波振荡；　短脉冲的主要应用，并指出辐射特　阿秒真空紫外和软ｘ射线激　性的关键参数　率综述显然不ｎｒ能　光振荡　论及所有可能应用，因此仅讨论与　技术应用　上述辐射参数有关，并在近期ｎ　Ｊ‘以　１超高遂，芒电子学；亚皮秒　实现的那些应用。　分辩示波器；　科学应用　２．微电子元件检测：　１　最短脉宽为基础的应用　３．信息传输速率～１　Ｔｂｉｔ／￣的光　非线性光学；　纤通讯；　纤维光学．光孤子；　４．材料精密加工：　用激发探测法研究超快现　５．太赫额率成豫系统；　象；时问分辨光谱；　６．同位素分离　双光子和ｉ光子显微术；　医学应用　飞秒化学；　１．相　光学层析术；　太赫光束和相干时间傅阜叶　２．精密外科学；　光谱学　３．心脏擞修复停制备；　２．以超短脉冲连续序列高时间　４．双光子光动力学疗法，　相干度为基础的应只：　包括多光子跃迁的精密光　谱学；　这种应用必须使用最小脉宽时　光频绝对测量，光频标　产生的最小时间相干度　使用超短　准。　脉冲的光层析术口ｒ在强散射介质中　３．以光波的高功率、强度和　成像。它的原理与医学中广泛应用　场强为基础的应用：　的超声内窥法（超卢内视诊断）类　激光等离子体，ｘ射线辐　似　由于使用ｒ光辐射，空问分辨　射源：　率　大为提高。当然，甫于光在生　辐射　物质相互作用的相　物组织中的强烈散射，不百　能得　对论性方式；　到深度大干２～３　ｍｍ的像。但即使　电子加速；　在这种限制下，这种相干光层析　＿收稿日期２面１　８—２５１　度的干涉信号。延迟连续扫描，　个光束的频率由于多普勒效应产　生频移，就能在散射产牛的强背　景中分离出干涉信号。借助扫捕和　信号处理得到生物组织　同观察层　的像（层析图１　近代计算机能以足　够快的速度进行处理并得到实时图　像　深度的空间分辨率由光源的时　间相下度决定，相干度越短，被观　察物体的分层厚度越小　通常使用超发光二极管作辐射　源，它的谱宽（３２　ｉｒｍ）可使我们得　到Ｉ１　ｂｔｍ的空问分辩率。使用辐射　脉冲宽度小于５　ｓ的Ｔｉ：宝石激光器　作为辐射源，能使宅间分辨率提高　至１　５　ｔｔｍ，并靠功率增大提高灵敏　度。结果能得到来自强散射组织深　部生物组织细胞的像，分辨率接近　光学显微术的衍射极限。　已有报导获得活体细胞像的可　能性，而且可以看到细胞核，从而　可以在肿瘤手术时直接进行组织的活　硷龆　这种应用与飞秒脉冲连续序列　的高时间相干性有关。为ｒ制造光　频标准，必须能够根据铯的基能级　超精细分裂确定的秒的国际标准　（９．２　ＧＨｚ范嗣）测定光频（数百吉　赫）　为此．不久前使用的方法是　连续倍频直至达到被测光频。覆　臣　维普资讯 http://www.cqvip.com

靴３９巷，蚺３崩　２ｆＫ）２ｑ－３门　激光与光电子学进展　盖大的频段必须有远红外和近红外　Ｈ．￣ａ　ｒｎｃｕ困发展振荡场分离　医的稳｛颟激光器、非线陛元件和测　法获得诺贝尔奘　仪器的倍频链结构这种装置庞　夫．要求精心维护．而月　每台装置　仪埔于一个特定的光额　材料激光加　的基础是局部热　这种倍频链ｕ　Ｊ川光颧梳型振荡　作用及其后的烧蚀～一ｆ｝１于熔化、　器代替，其额率Ｉｈｊ隔位于射频段，　气化和断裂而使材料去除　激光微　额率覆盖ｒ被测激光频率　，及其　加ｒ对近代电子学１　岂是重要的。　二次浩波２，…问的频段（罔１）　聚焦光斑的蛀小　径Ｆ｝１波长决定，　如果梳的间隔稳定．并以足够ｎ　精　ＩＩＥ｛此徽加ｌｒ使用紫外区的准分子激　度测卅，删得ｆ　与梳频的红区蛀近　光，但是它的辐射被许多透明材料　频率问的颛差　和　与梳频的蓝　吸收，因此只能对其表面加１：对　区最近额率问的频差　．即可以　于波长２＜２００　ｎｍ（ＡｒＦ激光／　１９３　计算它　Ｊ之间的频率问隔数．ｖ，从　ｎｍ）还有聚焦光学元件表面辐射损　而确定所求额率：ｆ＝｝Ｉ同Ｉ口ｒ以看　伤问题　研究表明，使用超短脉　出，光顿，　与射颉波段删得的频　冲不仅能够进行表面微加　还能　率有以下简单关系：　进行体内微加Ｖ（材料透明情况　＋　：　Ｆ），精度不低于使用准分ＩＦ激光　ｆ｝１于梳额振荡器的谱宽与脉宽　达到的一　成反比，脉宽不超过５　ｆｓ川口ｊ以制　超短脉冲激光的特点是高强　造糕盖数　太赫的颇梳．．易于测定　度．因此急剧地提高ｒ多量子过　和控制的脉冲重复率等于测量精度　程的作用　这种情况．以及极小　范Ｉ嗣的模　隔（约１０　）　甚至在　的作用ｔｌ·ｆ间　实改变了辐射对物质　芯徽结构为光子　；　体的光奸中光涪　的作用机制　在超短脉冲情况　展宽时．频梳也是均匀的，精度为　下，由于强度很高，籽电子由多　ｌ０＿”、使用这种力‘法能够进行氢原　光子电离而不是由杂质产生一因　子ｌ　ｓ＇－２　跃迁频率的精密测量．它　此，在强度足够高时　存在击穿闽　等于２４６６０６１４　Ｊ３ｌ８７ｌ０３（４６）Ｈｚ。　值的统计偏差，昕以击穿和加入介　目前使用７０～１００　ｆ　的　石激光　质中的能量　精确控制。由于电磁　器在锥形截面光纤中能够得到覆盖　场强度高，电子被加热至高温，在　３７０　１２１１ｌ至Ｉ　５４５　Ｉ｜１￣１的频梳，　脉冲结束后，电子能量才传至离　使用超短脉７ｌ｛１连续序列洲量光　子　南于电子的初始温度　Ｉ　常高．　颧是Ｂ　ｎ　Ｌｌ　ｅ６０　Ｔ　ａ　ｅｔｄ首先提出　离子的温度比使用长脉冲时也高得　的．其建议本质卜是将射频波段振　多　在光束焦点体积内的物质．大　荡场分离法匠心独具地移至光额　部分非常快地越过熔化相而气化．　图１用梳频一振蒲器测定绝对频率的原理图　置　Ｙ０ｌ＿３９　３　ＭａＴ　２Ｏｎ２　市于烧蚀过程中进八液棉的物质较　少　消除，熔滴，加ｒ连缘变得　很清晰　实验ｑ　在银膜和熔凝百英中获　得的孔的　径分　４小于０．３　ｔ．ｔｍ和ｌ　ｌｎ＇虽然波长为７９０　ｎｉＹｔ的Ｔｉ：宝石　激光脉冲（＇ｒ＝２００　在第～种情况　聚焦光斑直径为３　『ＩＩ＿在第二种　情况（ｒ＝６０　ｆｓ）为５　ｍ　这样小　的孔径（小于衍射限ｊ取决于超短　脉冲强度的精确控制和使聚焦光斑　中心小区达到烧蚀阈值。　这种砬用要求超短脉冲激光有　较大平均功率，其中可使用二极管　抽运为Ｙｈ：ＹＡＧ激光器。高平均功　率关键的散热问题．在激光器中是　通过将镀有厚度为２２０　ｍ高反射　膜的片状］作物质放在致冷器上实　现的。激光辐射宽度为７３Ｏｆｓ的脉冲　（　Ｉ】３０　ｎｍ），　均功率为１６　２ｗ。　应用　超短脉冲辐射的超高强度和超　强电磁场与物质，特别是与等离子　体出现新的相互作用方式。这种方　式是由现代超短激光脉冲装置所特　有的辐射特性决定的　首先是超短　脉冲的宽度（小于１００ｆｓ），　小于　等离子体流体动力学运动的任一时　问间隔。极高的电场和磁场也起重　要作用，在目前达到的强度ｌ０　‘ｗ，　ｍ　情批下，相应的电场强度达到　ｌ０”Ｖ／ｃｍ．它比氧原子第一玻尔半径　的库仑场强度大１００余倍　摄后、达　到的巨大能量密度３　ｘ　ｌＯ…Ｊｈ．ｍ　对　垃黑体温度～１０　ｋｅＶ　这些数值是　核爆炸所特有的。在这种条件下．　电子运动变成完全相对论性的。由　于洛伦兹力的同时作用．电子在线　偏振渡中画出…８　字形轨迹．它的　运动变为强非线性运动。下面讨论　强超短激光脉冲的某些应用　高次谐波振荡：强激光与惰　维普资讯 http://www.cqvip.com

３　９卷，　３期　２００２　３　激光与光电子学进展　扶谐艘信号　—　：　ＶｌＭｌｌａ＿３ｒ　９２．０Ｎ００２　　３　性气体原子相互作用导致基频的谐　波振荡．其辐射可延伸至真空紫外　和软ｘ利线区。　激光强度超过１０　ｗ，　时，　＼　ｆ）ｃ０ｓ（∞ｄ　ｐｌ－　）　激光场　Ｌ子的光致电离起重要作用一它　ｎｆ视为加在原子核库伦场上的光波　强电场中的准静态隧道过程。被释　放的电子在光波场中加速，随后可　ｊ它脱离的离子或周嗣的离子碰　时间　撞　复合时发射出能量等于电离电　位与激光光波场中得到的动能之和　的光子　特波。　于这种基本过程　ｊ激光　图２对两个不同的绝对相位值计算的高次谐波（真空紫外．软Ｘ射线）的强度演化　为了提高高次谐波振荡效率，　使用了基频与谐波的相位　配．　到临界场要求１　１０　．即要求电　子能量为５０　ＧｅＶ　这种能量用近　频率准周期性的叠加．从而产生ｒ　如果脉冲宽度缩短到光波的几　个剧期．则『乜离町在Ｊ爿期的几分　之一时间内发生。这时电子来不　及脱离原子．换，丌Ｊ活说，这样短的　脉冲日『以急剧“接通”超过电子与　原子结合电场的强电场，从而用大　大超过电离所需的场作用在非线性　物体（２　÷ｆ＋电子】　相传密切相关为此以装有惰性气体的气槽作为毛　细管型波导。由于相位　配，振荡　效率提高ｌ『２～３个数量级。实验中　使用了重复率１　ｋＨｚ、脉宽２６ｆｓ、能　量２０ＩｌＬＩ、在８００ｆ】ｍ附近区域Ｔ作　代电子加速器ｎｆ达到。　能够观察到两种非线性量子电　动力学效应：非线性康普顿散射．　这时在电子上散射多于一个光子　（ｅ一＋ｎｈｖ，一　＋ｂｙ　式中Ｖ，．Ｖ　为激　的Ｔｉ：宝石激光装置。毛细管充以复　气时，观察到波长～２．７　ｉｒｍ（４６０　ｅＶ１　的２９９次喈波．实际上制成了定向　光频率和ｙ量子频率），并产生电　子一正电子对　当光子与相对论性　电子相互作用时会产生ｙ辐射如　果能量足够高的ｙ量子与超强激光　场相互作用，则口ｆ能南多光子生成　电子一正电子对ｈｖ＃　ｖ　＝ｅ＋ｅ　在这种情况　下．非线性相互作用变得与电磁渡　这可用阁２所示的　软ｘ射线区相干辐射源　制成类似　辐射源的重要性在于它的辐射落入　所谓“水窗”（２．３～４　４　ｎｍ）内，该　区内的辐射对应氧和碳的Ｋ带边．　水的吸ｑ：ｔｌ￣碳小．从而能够得到含　有水环绕的碳的微生物体（即活　体）的高反差像　到目前为止，这　类　作只好使用庞大的电子加速器　的同步辐射。　非线性量子电动力学强度达　到１ｏ　Ｗ／ｃｍ　数量级时．真空也成　为非线性介质，在这种强度的光场　中会产生电子一正电子对，产生电　子一正电子对所必须的电场强度　为２ｍ　Ｃ’／ｅｈ＝１．３×１０　Ｖ／ｃｍ　Ｘ＝３　２　ｎｔｉ１　１０％波带内的高次　旨波　ｌ真空紫外和软ｘ射线）的强度随两　个不同绝对　Ｕ位值的演化说明。计算　时设定脉宽５　、强度２×１０　Ｗｈ，ｍ￣　的线偏振辐射（　＝７５０　ｎｎ　】　Ｊ卡　强５０，０　Ｔｏｒｒ的氦ｌ相互作用．可以看　出．也络一样时．短波辐射强度　这两种效应已在实验上观察　到。研究是在斯坦福大学加速器Ｌ　进行的，加速器参数是：电子能量　４６．６　ＧｅＶ．电子脉冲宽度７　ｐｓ．重频　率１０－３０　Ｈｚ～激光装置使用Ｎｄ：玻　璃，辐射二倍频。参数是：基频脉　冲能量２　Ｊ．二次谐波能量０．４　Ｊ．脉　冲宽度１　５　ｐ　．重复率为Ｏ．５　Ｈｚ　实验的主要困难星使聚焦激光脉冲　和电子簇在空问和时间（分别为数　Ｉ’微米和几分之一皮秒）重合，首　－炙观察到四个激光光子参与非线性　康普顿散射，以及ｙ量子与激光光　子碰撞结果产生电子一正电子对　和它的超短脉｜１Ｉ＿形状　相位密切相　哭　这首次证叫了研究非线性光　学效应直接与光波绝对相位有关系　的可能陛，　高次谐波光子的最大能量是　南拥有最大能量的电子产生的，而　显然，近代激光器暂时远未能　达到这种场强　但是，如果利用超　相对论性电子．则能实现临界场实　验状况　进入电磁波场的运动电子　“看到”它的频率变化　倍．其中　后者在光波相位窄变化区间得到　陵能虽这表叫．真空紫外和软ｘ　射线　的辐射将集中在光波周期　的小部分时间间隔内（阿２】。因　这是光子实际参与的光一光非弹性　散射首次实验室验证　光感应的核反应　在强度为　１０　～１０　Ｗ／ｃｍ　时．电子在光波场　此．出现ｌ『阿秒宽度脉冲振荡的可　能性。　相对论性因子，有效激光场　也增至　倍　借助近代激光装置达　中进行相对论性振动，这时它们　＿　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３９播＋第３　２００２年３　激光与光电子学进展　激光求—◆　Ｖ　Ｍａ，ｌ　３９Ｔ　２．　００ｎ２　　３　韶贾　图３热核聚变“快速点火”概念示意图：（ａ）球形靶对称照射阶段；　）靶的压缩；（ｃ）在环绕靶的等离子体中形　成通道：（ｄ）热电子使等离子体加热并点燃整个靶　的动能增至数兆电子伏　这样的　的本质如下：光强为１０　。Ｗ／ｃｍ　或　更高时，电子在光波场中获得的　能量约为１　ＭｅＶ。它们能将该能量　传给加热至５～２０　ｋｅＶ温度的离　子　但为ｒ有效加热，需要热电　计算表明，这种热核聚变比使用　高强度辐射与同态靶相互作用时，　会产牛相对论性等离子体．其中　电子会得到更大的能量　已在理　论上研究ｒｊ塞种加速机理。提出　纳秒脉冲的传统方法所要求的激光　能量要小　将相对论眭加速电子用于光感膻核　反Ｊ　子在等离子体中的射程可与聚　激　光束的尺寸相比。　既然等离子体的初始密度．　甚至等于　体密度对满足此条件也　不够，因而提出用足够强的：电束　对称ｊ！｛ｉ射来　缩球形靶（罔３．　目前超短脉冲激光取得重大进　展　发展并演示ｒ宽度不超过５　ｓ　的脉冲振荡法。飞秒脉冲功率目　前已超过１Ｏ　ｗ，聚焦光束强度达　到１０　Ｗ／ｃｍ　光　Ｉ物质的相对论性相　作用　的实验研究是在超幔激光装置上进　行的　光功率达到５０　Ｔｗ，它聚　焦在【古１态靶　时，产ｌ，丰了能最为　制造产牛极限短脉冲和超高功　率的高效和紧凑激光系统的可能性　开创了其在科学、技术和医学应　用的光辉前景　出现了研究相对　论性状态非线性光学的可能性　建立ｒ　ｘ辐射和，，辐射振荡以及电　子加速的新方法。技术应用包括　微电子学、发展信息传输速度～ｌ　Ｔｂｉｔ／ｓ的光纤通讯系统、微加工新　方法和制造光存储器，在医学中　演示了显徽术、光层析术和“精　密”外科手术方面的新方法：　数ｆ‘兆电子伏的电子，该电子本　身产牛ｙ量子束．并在其作用下发　牛光核反应（　１　反应结果得到　同位素　Ｃ、　Ｋ、　Ａｇ、　“Ｐｒａ　１　靶表面高速加热时，等离子　体溅出并形成压缩物质的反作用力　（图３，　曾演示过．能量９　ｋ．Ｉ的　ｃｕ、　ｚｎ、　纳秒激光脉冲均匀麒劓球形靶时，　靶Ｊ　缩至密度６００　ｇ，（·ｍ　３但是靶核　心的高密度等离子体被密度减至零　的所谓冕的等离子层包同着　为　ｒ实现强超短脉冲加热，需要将　ａ．它　Ｊ的出现巾核　物理方法决定。此外．实验还观　察到　ｕ的分裂．　使用拍瓦激光装置照射靶的聚　焦辐射束是能量２６０Ｊ、脉宽４５０　的　脉冲　聚焦时强度超过ｌ（）２ｃ。Ｗｈ，ｍ　，　可使光波场中的电子得到的能量达　到３　ＭｅＶ、靶形成的等离子体中电子　能最达到１００ＭｅＶ　该实验也观察到　反应ｃ　ｙ．ｎ１和　ｕ的分裂。　热核反应的“快速点火”　在　脉冲　【到高密度核的边界　为　此，用辅助脉冲使等离子体密度　截面变形（图３，ｃ）　朝靶发射脉　宽约为５０　ｐｓ的一定强度轮廓的脉　冲，并保狂光压超过等离子体气　动力学压强　结果在冕等离子体　中“压出”一个窄通道，并导入　高功率超短脉冲（屉：１～１０　ｋＪ．／－＝Ｉ　ｐ　ｓ　ｊ型丰辐射　它会“点燃”全　部靶物质的快速电子（网３．ｄ）　颇为重要的是，近代激光装　置能够将“大科学”方向的某些　研究移至大学实验室　强度１０　Ｗ，ｃ一　对应吉巴压强和吉高斯磁　场　这开创了可称为实验室天体　以放大啁啾脉冲为基础的超大功率　激光装置出现后，提　ｒ激光热核　物理学理论的研究前景　（白　光编译）　聚变的新概念——“快速点火”　它　目