一、什么是飛秒激光

飛秒又稱為毫微秒，為10^-15s。飛秒激光以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)，持續(xù)時(shí)間一般只有10-100fs，是目前技術(shù)水平下所能獲得的zui短脈沖。正因如此，飛秒激光一經(jīng)誕生，便被廣泛應(yīng)用于物理、生物、化學(xué)等領(lǐng)域中的微觀過程，從而發(fā)現(xiàn)了許多新的超快現(xiàn)象。

二、飛秒激光的功率

飛秒激光的峰值功率是指脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)所具有的瞬時(shí)功率，即E/r，E為飛秒脈沖包絡(luò)內(nèi)所攜帶的能量，r為飛秒脈沖包絡(luò)的極大值一半所應(yīng)對(duì)的時(shí)間寬度。由于r為極短的10-15 s量級(jí)，即使其攜帶的能量為毫焦耳量級(jí)(10-3 J),其峰值功率也高達(dá)1012 W(TW，太瓦)以上，它相當(dāng)于全世界發(fā)電功率之和。

目前的飛秒激光放大系統(tǒng)可以輸出高達(dá)1015 W(即PW，拍瓦)峰值功率的飛秒激光。如此超強(qiáng)峰值功率的飛秒激光脈沖，聚焦之后其焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)所具有的電場強(qiáng)度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原子和對(duì)其價(jià)電子的庫侖力。在其作用下，任何固態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)都會(huì)在瞬間變成等離子體。

由此發(fā)展起來的超快超強(qiáng)激光物理正在形成強(qiáng)場物理研究領(lǐng)域一個(gè)新的分支，并被應(yīng)用到激光受控核聚變、同步輻射加速器等大科學(xué)工程中。正在興起的飛秒激光微納精細(xì)加工技術(shù)，也正是利用了飛秒激光超高峰值功率這一特點(diǎn)，在晶格熱傳導(dǎo)過程還來不及發(fā)生時(shí)，飛秒激光已經(jīng)在微納尺度內(nèi)完成去除物質(zhì)或使其改性的物理過程后，揚(yáng)長而去。

三、飛秒激光的波長

當(dāng)前由飛秒激光器直接輸出的波長主要集中在0.8-1.5 um的近紅外波段，但是由它激發(fā)而產(chǎn)生的飛秒激光脈沖激光卻覆蓋了從X射線到太赫茲這一廣闊領(lǐng)域，利用超強(qiáng)飛秒激光和電子束相互作用的湯姆遜散射效應(yīng)，可以產(chǎn)生相干的硬X射線，波長達(dá)0.4 ?。飛秒強(qiáng)激光與惰性氣體原子相互作用而引發(fā)的高次諧波，可獲得軟X波段的相干輻射，波長可覆蓋十納米至幾納米。

飛秒激光在晶體中的二倍頻、四倍頻、六倍頻效應(yīng)可將近紅外的飛秒激光變換至可見、紫外、極紫外和真空紫外，直至150 nm，與高次諧波的軟X波段相接。利用飛秒激光在晶體中的參量振蕩和參量放大過程中，可以在近紅外，甚至紅外波段實(shí)現(xiàn)寬頻譜范圍的調(diào)諧。除此之外，利用飛秒激光在非線性介質(zhì)中的傳輸，可以發(fā)生自相位調(diào)制，四波混頻，孤子自頻移和超連續(xù)等多種非線性效應(yīng)，這些效應(yīng)都可以使飛秒激光器輸出的光脈沖從單一波長變換到紫外至紅外波段。

特別值得提出的是，太赫茲波這一在大分子領(lǐng)域極 具應(yīng)用價(jià)值的亞毫米波長的輻射，在人類征服了X射線-紫外-可見-紅外-無線電波的漫長時(shí)間后，終于在20世紀(jì)80年代，借助飛秒激光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了10 um-3 mm波段的相干輻射。飛秒激光覆蓋光譜范圍極廣的另一層含義是，飛秒脈沖內(nèi)包含著數(shù)量極大的分立的相干光譜成分。一個(gè)脈沖寬度數(shù)十飛秒的脈沖可以包含高達(dá)百萬個(gè)頻譜成分，相當(dāng)于上百萬個(gè)具有不同中心波長的保持相等頻率間隔的連續(xù)波激光器。

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