超短激光脉冲技术迎来新突破

激光正成为无数设备和行业不可或缺的组成部分。当激光的光束与纳米级材料表面相互作用时，它会发出一种被称为“等离子体激元”（plasmon）的光波，而给定等离子体激元的属性可以传递信息。在光学传输中，激光将光泵入一个称为“可饱和吸收器”的部件，以产生光信号。

激光技术在工业加工中也有广泛的用途，如零部件的精密清洗，高功率切割、焊接，微加工的钻孔、划线、细磨、精抛、切割、纹理、剥除、隔离等。在工业制造领域，工程师们很早就尝试利用激光进行微加工。但是由于激光的长脉冲宽度和低激光强度造成材料熔化并持续蒸发，虽然激光束可以被聚焦成很小的光斑，但是对材料的热冲击依然很大，限制了加工的精度。唯有减少热影响才能提高加工质量。当精度要求达到一微米的时候，超短脉冲激光对于精密清洗、高精度的抛光、表面重塑与焊接，或以其他方式修改大量的材料来说是最棒的工具。

超短脉冲激光，是指超快激光器输出激光的脉冲宽度在皮秒（10－12秒）级别、或小于皮秒级别的脉冲激光。根据输出激光的脉宽不同，超短脉冲激光又可分为皮秒激光、飞秒激光、阿秒激光。超短脉冲激光增加高脉冲的能量极大地改变光物反应。一般情况下，脉宽越窄，加工精度越高。

激光加工：长脉冲 VS 超短脉冲

激光以不同的脉冲时间作用到材料商，所产生的效果也是天壤之别：

当激光以纳秒量级的脉冲时间进行工作时，可以实现很高的脉冲能量、峰值功率和平均功率，为微型机械加工应用

当激光以皮秒量级的脉冲时间作用到材料上时，加工效果会发生显著变化。随着脉冲能量急剧上升，高功率密度足以剥离外层电子。由于激光与材料相互作用的时间很短，离子在将能量传递到周围材料之前就已经从材料表面被烧蚀掉了，不会给周围的材料带来热影响，因此也被称为“冷加工”。

当激光以飞秒的脉冲时间作用于材料表面时，激光器可以输出具有高达千瓦量级的平均功率，几百飞秒（fs）量级以下的脉冲宽度。在重复频率为1kHz至100MHz量级的情况下，其脉冲能量可以跨越毫焦（mJ）至纳焦（nJ）量级，脉冲峰值功率可以高达GW至TW量级。

这种集高脉冲能量、高脉冲峰值功率以及高脉冲重复频率于一体的激光器可以高效地加工出比连续或者长脉冲激光更加精细的机械结构。

超短脉冲加工能量极快地注入很小的作用区域，瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等影响，从根本上改变了激光与物质相互作用机制。同普遍化的激光加工一样，属于无接触式加工，使用超短脉冲激光在微加工中特有优势，包括增强的尺寸精度和更严格的公差，减少损害并去除后续处理步骤。

这项黑科技在超短脉冲激光在基础研究、工业加工和光通信等广泛领域有重大应用，目前各大国正在加紧研究，以此实现技术上的更新迭代。

超短脉冲激光技术在各领域中的研发进展

01 通信

近期，亚利桑那州立大学电气工程副教授Yu Yao和她在亚利桑那州立大学光子学创新中心的研究团队设计了一种更快、更节能的纳米级激光元件，称为石墨烯-等离子体混合元结构饱和吸收体，简称GPSMA。GPSMA在通信、信息处理、光谱学和生物医学等行业具有潜在的应用前景。吸收剂可用于提高速度、效率和整体性能，以推进数据传输、信息处理、生物医学传感和成像技术。

由于它在光学调制和饱和吸收方面具有有益的特性，Yu Yao的团队在他们的开发过程中加入了一种人工工程金属-石墨烯混合材料。

他们通过设计一种光学天线阵列，将光聚焦到材料的纳米级间隙，即所谓的热点，以促进吸收，通过将激光聚焦在这些热点上，他们观察到性能的提高和能量消耗的减少。他们的新技术将为红外激光光谱和高速光信号通信(光纤电缆和卫星通信)开辟新机遇。

02 军事

激光武器听起来就是一种非常科幻化的应用。如今，美国现在就有了一种超短脉冲激光的出现，很多人都已经对这种武器进行了持续的关注，这款武器所产生的脉冲光都是小于一纳秒的，通过这种计算模式看下来，它被称为超短脉冲光激光武器，也确实在意料范围之中。据悉，这款武器所产生的脉冲光都是小于一纳秒的，通过这种计算模式看下来，它被称为超短脉冲光激光武器，也确实在意料范围之中。功率增强100万倍，这样的优势呈现创造了更多的可能，在后续的发展和运用过程当中，表现也会越发明显。

03 研发

中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室研究团队提出了一种非线性光学增益调制技术，可以将单频连续激光转换为高相干飞秒脉冲。该方法是获得波长灵活超快脉冲的全新技术手段。

西安光机所光子制造系统与应用研究中心持续在高功率大能量超短激光脉冲放大技术研究方面进行攻关，研究团队采用特种玻璃光纤级联单晶光纤的混合式放大技术，实现了100千赫兹重频下近毫焦级能量的超短脉冲放大输出，最大放大输出功率92.9瓦，对应单脉冲能量达929微焦，通过基于温度梯度的宽带大色散啁啾光纤光栅和高衍射效率光栅对压缩器进行精密的色散匹配，将中心波长1030纳米，谱宽仅2.4纳米的超短脉冲压缩至335飞秒（洛伦兹拟合的傅里叶转换极限脉冲宽度325飞秒），压缩后输出脉冲能量达800微焦，对应峰值功率大于2.38吉瓦，是目前基于单晶光纤在百千赫兹重复频率下获得的最大峰值功率的超短脉冲输出，对输出的激光光束质量进行测试，光束质量因子（M²）优于1.3。

该项研究工作获得了国家自然科学基金重大项目课题、中科院西部青年学者项目、陕西省两链融合专项、中科院弘光专项、陕西省科技新星等项目支持。研究成果可为科学与技术研究、超快激光加工等领域提供新型高效光源技术手段。

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