超快激光-FS
飞秒激光器是一种能够产生飞秒量级（1 fs = 10-15s）超短脉冲的激光器。作为超快激光家族的核心成员，它以其极短的相互作用时间和极高的峰值功率，为基础科学研究和高精度工业加工开启了一扇新的大门。本文将系统地介绍飞秒激光器的原理、分类、应用及其关键参数和典型产品。
1.飞秒激光器的工作原理
飞秒激光器，其核心原理是锁模，首先要明白它如何产生如此短暂的脉冲。一个激光谐振腔，里面同时存在许多不同频率和相位的纵模，而锁模技术，就是通过某种方法（主动或被动）让这些不同频率的纵模之间保持固定的相位关系（即“锁住”相位）。当这些相位一致的纵模在谐振腔内传播时，它们会在某些特定的时刻相干叠加，形成一个强度极高的尖峰（即脉冲）；而在其他时刻，它们则相互抵消。通过精确控制，让成千上万个纵模同步振荡，最终就能在时域上输出一系列间隔固定、宽度极窄的超短脉冲。飞秒激光器正是利用了这一原理，将光能量在时间上高度集中，从而产生瞬间的极高功率。
锁模激光器的结构和工作原理
2.飞秒激光器的分类
飞秒激光器可以根据其增益介质和锁模技术进行分类。
2.1 按增益介质分类：
（1）钛宝石激光器： 这是最经典和通用的飞秒激光器。钛宝石晶体具有非常宽的增益带宽，能够支持极短（可达几个飞秒）的脉冲产生，波长调谐范围通常在680nm到1100nm之间。它是许多科研实验室的首选。
（2）固体飞秒激光器： 使用Yb:KYW、Yb:KGW等掺镱晶体作为增益介质。它们在提供高平均功率和高脉冲能量方面表现出色，是工业微加工的重要光源。
（3）光纤飞秒激光器： 以掺杂稀土元素（如铒Er、镱Yb）的光纤作为增益介质。其优点是结构紧凑、稳定性高、免维护、散热性好，非常适合工业环境。脉冲宽度通常在几十到几百飞秒。
2.2 按锁模技术分类：
（1）克尔透镜锁模： 利用增益介质（如钛宝石）本身的克尔效应（折射率随光强变化）形成等效的“快饱和吸收体”，从而实现自启动的被动锁模。这是钛宝石激光器产生飞秒脉冲最常用的方法。
（2）半导体可饱和吸收镜： 一种集成的被动锁模器件，通过半导体材料的可饱和吸收特性来启动和维持锁模状态。它使得激光器设计更加紧凑和稳定，广泛应用于光纤和固体飞秒激光器中。
（3）非线性放大环形镜： 一种常用于光纤激光器的锁模技术，通过在环形腔内引入非线性相移和干涉来实现脉冲形成。
3.飞秒激光器的关键参数
飞秒激光器的关键参数，包括以下几个：
3.1 脉冲宽度：
脉冲的持续时间，是飞秒激光器的核心指标。它直接决定了加工的分辨率和与物质相互作用的非线性程度。越短的脉冲，峰值功率越高，热影响区越小。
CNI典型飞秒激光器的波形
3.2 重复频率：
每秒输出的脉冲个数，单位是赫兹（Hz）。从MHz（如80MHz）到GHz不等。高重频适用于高速加工和频率梳应用；低重频（通常经放大器后）可获得更高的单脉冲能量。
3.3 单脉冲能量与平均功率：
平均功率 = 单脉冲能量 × 重复频率。
单脉冲能量决定了单个脉冲能完成多少“工作量”，例如能否诱导特定的非线性过程。
3.4 峰值功率：
单脉冲能量与脉冲宽度的比值。由于脉冲宽度极短，飞秒激光的峰值功率可以达到惊人的水平（例如，1微焦能量、100飞秒脉宽的脉冲，峰值功率高达10GW）。
3.5 中心波长与光谱带宽：
根据傅里叶变换极限，脉冲宽度与光谱带宽成反比。要获得更短的脉冲，就需要更宽的光谱。钛宝石激光器的宽光谱特性使其能产生最短的脉冲。
3.6 脉冲质量：
包括时间对比度（主脉冲前后是否存在 undesired 的预脉冲或基座）和光束质量（M²因子），这些参数直接影响应用的最终效果。
CNI典型飞秒激光器M2测试图
4.飞秒激光器的典型应用
飞秒激光的“冷加工”特性（热影响区极小）和极高的峰值功率，使其在众多领域大放异彩：
4.1 科学研究
超快光谱学：像一台拥有飞秒快门的“高速相机”，用于观测分子、原子尺度的超快动态过程，如化学反应中的键断裂与形成、光合作用能量传递等。
高次谐波产生与阿秒脉冲： 利用飞秒激光与物质相互作用产生频率极高的谐波，进而合成阿秒（10-18秒）脉冲，用于研究电子动力学。
光学频率梳：飞秒激光的频域是一系列间隔均匀的离散谱线，像一把“光尺”，可用于精密测距、光学原子钟和光谱学测量，曾获2005年诺贝尔物理学奖。
4.2 精密微纳加工
透明材料加工：利用多光子吸收效应，可以在透明材料内部进行三维选择性雕刻、打孔和制造光波导，用于制作微流控芯片、光学数据存储等。
脆性材料切割：精确切割蓝宝石、玻璃、陶瓷等，几乎无裂纹和熔融残留。
表面微结构：在金属、聚合物等表面制造抗反射、疏水/亲水等特殊功能的微纳结构。
FS-F-1030 20W微纳加工
4.3 半导体检测与电子行业
飞秒激光可用于PCB/FPC柔性电路切割，甚至可以应用于集成电路的光刻工艺中。
晶圆、PCB/FPC柔性电路切割
4.4 眼科手术（LASIK）
飞秒激光已取代机械板层刀，用于在LASIK手术中制作精准的角膜瓣。其精度高、预测性好，大大提升了手术的安全性和效果。
飞秒眼科手术
4.5 医疗与生物成像
飞秒激光是双光子/三光子显微成像的理想光源，能够实现对活体组织深层、高分辨率、无损伤的三维成像，是神经科学和肿瘤研究的重要工具。
双光子显微成像
5.典型的飞秒激光器
CNI研发生产的飞秒激光器，典型波长有266nm、343nm、355nm、515nm、532nm、780nm、1030nm、1064nm、1560nm等，具有优异的高光束质量和稳定性。采用紧凑的封装，风冷或水冷散热，是工业加工、科学研究、生物仪器等应用领域的良好选择。
详情可查询www.cnilaser.com/ 了解。
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飞秒激光器以其独一无二的时域特性，已经成为推动前沿科学研究和高技术产业发展的关键引擎。从揭示自然界最快速的微观过程，到制造下一代消费电子产品中的精密部件，再到革新医疗手术方式，其影响力无处不在。未来，随着技术的不断进步，飞秒激光器正朝着更高功率、更短脉冲、更低成本、更小体积的方向发展，必将开拓出更多激动人心的全新应用领域。
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