一文讲清楚：皮秒、纳秒和飞秒激光

       激光（LASER），即“受激辐射光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），是一种通过粒子数反转实现光相干放大的技术。它以其卓越的方向性、极高的亮度和单一的波长特性，被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”，彻底改变了工业制造、医疗健康、科学研究等诸多领域。

       然而，随着科技的进步，人们对激光的要求已不再局限于传统的长脉冲激光，而是转向更高精度、更低热影响的超短脉冲激光技术。本文将详细介绍激光的产生原理、激光器的基本组成与分类，并重点分析纳秒、皮秒和飞秒激光。希望通过本文的介绍，读者能够全面了解激光技术的基本原理及其在现代科技中的重要作用。

激光产生原理

1. 受激辐射理论的历史背景

      1905年，爱因斯坦在他的光电效应研究中首次提出光子的概念。1916年，他进一步提出了受激辐射理论，为激光的诞生奠定了科学基础。

2. 激光产生的物理过程

       结合玻尔模型和爱因斯坦受激辐射理论，我们知道，当介质材料中的电子吸收能量后，会跃迁到较高的能级，也就是“受激吸收”。但这种激发态并不稳定，电子倾向于回到低能级，并在此过程中辐射出一个光子，这一过程被称为“自发辐射”。如果此时有另一个光子经过，它会诱导处于高能级的电子释放出与入射光子相同频率、相位和方向的新光子，这就是“受激辐射”。

       尽管受激辐射可以产生大量光子，但这些光子的方向是随机的，无法形成激光。为了实现光的相干放大，科学家引入了谐振腔的概念。通过在材料两端设置反射镜，光子可以在两片反射镜之间来回振荡，不断诱导新的光子生成，从而实现光的放大。

       为了输出激光，通常将其中一片反射镜设计为部分反射镜，使得部分光子能够逸出谐振腔形成激光输出。如果需要获得更高能量的脉冲光，还可以在输出端加入一块可饱和吸收体。当腔内能量积累到超过一定阈值时，可饱和吸收体会瞬间开启，从而输出高能量的脉冲光波。

激光器的组成与分类

1. 激光器的基本组成

       激光器是激光的发生装置，主要由以下三个核心部分组成：

       泵浦源：为激光器提供能量，将低能级电子激发到高能级。常见的泵浦方式包括光学激励、气体放电激励、化学激励和核能激励等。

       增益介质：作为工作媒介，负责将输入的能量转化为光能并实现光放大。辐射光子的能量和波长与介质材料的种类有关。

       谐振腔：由两块具有特定几何形状和光学反射特性的反射镜组成，使受激发的光在腔内多次往返以形成相干的持续振荡，同时限制光束的频率和方向。

2. 激光器的分类

       根据运行方式的不同，激光器可分为连续激光器和脉冲激光器：

       连续激光器：输出光束在时间上基本连续，适用于需要长时间稳定光源的应用场景。

       脉冲激光器：以光脉冲形式输出，单个脉冲宽度小于0.25秒，每间隔一定时间才发光一次。脉冲激光器的输出更集中，适合需要高能量密度的任务。

脉冲激光器：纳秒、皮秒与飞秒的区别

       脉宽是描述激光器输出光脉冲时间特性的关键指标之一。脉冲激光器根据脉冲宽度的不同，可以分为多种类型，纳秒、皮秒和飞秒脉冲激光器是其中的典型代表。

1. 时间尺度的差异

       要理解纳秒、皮秒和飞秒激光的区别，首先需要明确它们的时间单位差异：

       纳秒（ns）：1纳秒 = 10⁻⁹秒

       皮秒（ps）：1皮秒 = 10⁻¹²秒

       飞秒（fs）：1飞秒 = 10⁻¹⁵秒

       为了更直观地感受这些时间尺度，可以参考以下类比：

       光在1纳秒内可传播约30厘米（相当于成年人迈出的一小步距离）。

       光在1皮秒内仅能传播0.3毫米（相当于3~5根头发丝的宽度）。

       光在1飞秒内仅能传播0.3微米（大多数球菌的直径为0.20~1.25µm）。

2. 纳秒、皮秒和飞秒激光的特点与原理

（1）纳秒激光

       定义：纳秒激光器是指脉冲宽度在纳秒级别的激光器。

       特点：

       成本低，易于实现。

       热效应明显，适合对热不敏感的材料加工。

       脉冲能量较高，适合大范围切割、焊接等任务。

       原理：纳秒激光通常通过调Q技术实现。调Q技术通过快速改变激光腔内的损耗，使激光能量在短时间内释放，形成强纳秒脉冲。

       典型应用：

       工业领域：金属切割、焊接、打标。

       医疗领域：牙齿修复、皮肤治疗。

（2）皮秒激光

       定义：皮秒激光器的脉宽为皮秒级别，即10⁻¹²秒。

       特点：

       热效应较低，适合精密加工。

       能量高度集中，适用于多种材料。

       支持更高的重复频率和灵活的脉冲能量调节。

       原理：皮秒激光主要通过锁模技术实现。锁模技术通过控制激光腔内不同纵模之间的相位关系，产生皮秒级别的超短脉冲。

       典型应用：

       微加工：蓝宝石、玻璃等硬脆材料切割。

       生物医学：生物组织切割、显微成像。

       光学器件：光纤通信、传感器制造。

（3）飞秒激光

       定义：飞秒激光器的脉宽在飞秒级别，即10⁻¹⁵秒。

       特点：

       几乎无热效应，适合对热极其敏感的材料。

       极高的时间分辨率，适合超快过程的研究。

       能量高度集中，适合超精密加工。

       原理：飞秒激光通过锁模技术和啁啾脉冲放大（CPA）技术实现。CPA技术解决了飞秒激光直接放大会损伤光学器件的问题，显著提高了脉冲峰值功率。

       典型应用：

       医疗领域：眼科手术（如全飞秒SMILE近视矫正）。

       科研领域：超快光谱学、量子计算。

       微纳米制造：微流控芯片、光学透镜阵列。

关键技术说明

1. 锁模技术

       锁模技术是实现皮秒和飞秒激光的核心技术。通过控制激光腔内不同纵模之间的相位关系，可以生成超短脉冲。锁模技术分为被动锁模和主动锁模两种：

       被动锁模：在激光腔内插入具有饱和吸收特性的材料（如染料盒）。这种材料的吸收系数随光强增强而下降，通过选择性吸收机制实现纵模相干加强。

       主动锁模：在谐振腔内插入一个调制频率v=c/2L的调制器，对激光输出进行振幅和相位调制，实现各个纵模同步振动。

2. 啁啾脉冲放大（CPA）技术

       啁啾（Chirp），读音为“zhou jiu”，源于汉语中形容鸟鸣的声音，在信号处理和通信领域指频率随时间线性或非线性变化的信号。CPA技术是飞秒激光发展的里程碑。通过先拉伸脉冲宽度、再放大能量、最后压缩脉冲的方法，避免了直接放大窄脉冲可能造成的光学器件损伤问题，显著提高了飞秒激光的峰值功率。

       激光技术的发展不仅推动了科学技术的进步，也深刻改变了我们的生活。从最初的理论构想到如今广泛应用于工业、医疗和科研等领域，激光已成为不可或缺的重要工具。而随着对精度和效率要求的不断提高，超短脉冲激光（如皮秒和飞秒激光）逐渐成为研究和应用的热点。

       希望通过本文的介绍，大家能更好地理解激光的产生原理、激光器的组成以及纳秒、皮秒和飞秒激光的区别与应用前景！如果您有任何疑问或想法，欢迎留言交流！