摘要：综述了激光技术的新发展和研究的热点，重点论述了飞秒激光技术的最新发展和它在生命科学、基因工程、信息科学、超微细加工及物理学等领域中的应用以及大功率激光技术的发展和它在国防军事领域中的应用。

关键词：激光技术；飞秒；大功率；发展与应用

引言

激光又称“雷射”，是受激辐射光放大之意。激光既具有光的一切特点，又具有单色性、相干性、方向性和偏振性好、功率高及时间短等一般光源无法比拟的优点。因此，在1960年Maman首次报道激光辐射以来，激光技术在科学技术研究、工农业生产、医疗卫生、国防军事等各个领域中得到了广泛地应用，巨大的应用前景有力地推动了激光技术自身的发展。近年来，在飞秒激光和大功率激光的研究中所取得的突破性进展使科学技术的许多领域发生了重大改革。

1 大功率激光器的发展与应用

由于世界各国国防现代化的发展和激光技术在军事上巨大的潜在应用价值，使得大功率激光器的研究成为热点，20世纪70年代建造的“机载激光实验室”采用了一台气动CO2激光器，输出功率可以达到400kW；研制的氟化氘化学激光器，输出波长3.5μm，输出功率町达到2.2MW。由于化学氧碘激光器的输出波长为1.315Lm比氟化氘化学激光器的3.5μm和CO2激光器的10.6μm短许多，可以采用更小的光学系统来解决激光束的大气传输问题，因此化学氧碘激光器成为一个研究重点。机载化学氧碘激光器把过氧化氢溶液喷到氯气中产生放热反应，产生的热量把氧激发到高能态，氧分子激发碘原子产生粒子数反转与跃迁产生激光输出，它的输出功率可达到3MW。

燃料的循环使用、高压震动下的稳定运行和小型化的问题是研究的关键。随着固体激光器的研究与发展，全固化固体激光器在军事领域里也显现出巨大的潜在应用价值。目前全固化固体激光器主要有二极管泵浦固体激光器(diode-

pumping solid state laser，简称DPSSL)和固体热容激光器(solid-state heat capacity laser，简称SSHCL)。DPSSL具有波长短、效率高、光束质量好、体积小及无化学危害等优点。它的调Q技术、锁模技术、放大技术、冷却技术和非线性频率转换技术是当前研究的热点。SSHCL结构紧凑、有很好的热特性和较高的效率，它的输出能量E正比于介质的质量m，热容量c温差T，即E=MCT。目前SSHCL研究的关键技术是激光二极管阵列泵浦技术和硅单片微通道冷却技术。

2 飞秒激光技术的发展与应用

自1960年Maman首次获得激光脉冲输出以来，人类对激光脉冲宽度的压缩过程大致可以分为3个阶段：调Q技术阶段、锁模技术阶段和啁啾脉冲放大技术阶段。啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification，简称CPA)是为了克服固体激光物质对飞秒激光放大时产生的自聚焦效应而开发的一种新技术，它先对锁模激光器产生的超短脉冲提供“正啁啾”，把脉冲宽度展宽到皮秒甚至纳秒量级进行放大，在获得足够的能量放大后再利用啁啾补偿(负啁啾)的方法进行脉宽压缩，啁啾脉冲放大技术对飞秒激光的发展具有重要意义。

1990年以前利用宽增益带宽的染料激光器锁模技术就已经获得了飞秒激光脉冲。但是，由于染料激光器的维护管理极为复杂，因此限制了它的应用。随着钛宝石晶体质量的提高，用较短的晶体也能获得足够高的增益，实现短脉冲振荡。1991年Spence等人首次研制出自锁模钛宝石飞秒激光器，获得60fs的脉冲宽度钛宝石飞秒激光器的研制成功极大地促进了飞秒激光的应用与发展。1994年，利用啁啾脉冲放大技术又获得了小于10fs的激光脉冲，目前借助于克尔透镜自锁模技术、光学参量啁啾脉冲放大技术、腔倒空技术、多通放大技术等可以使激光的脉冲宽度压缩倒1fs以下进入阿秒领域，激光的脉冲峰值功率也从太瓦(1TW=1012W)提高到拍瓦(1PW=1015W)。激光技术的这些重大突破在许多领域中引发了广泛而深入的变革。

在物理学领域，利用飞秒激光所产生的超高强度电磁场能够产生相对论中子，也能直接对原子和分子进行操作，在台式核聚变激光装置上，用飞秒激光脉冲照射氘氚分子团可引发核聚变反应，产生大量的中子。飞秒激光与水相互作用时，可以使氢的同位素氘发生核聚变反应，产生巨大的能量。利用飞秒激光控制核聚变，可以获得可控的核聚变能源。在宇宙物理学实验室中，利用飞秒激光超高强度光脉冲产生的高能量密度等离子体能在地面上再现银河和恒星的内部现象。用飞秒时间分辨法能够以飞秒的时间尺度清楚地观察到置于纳米空间的分子及其内部电子状态的变化。

在生物医学领域，由于飞秒激光具有很高的峰值功率和功率密度，与各种材料相互作用时往往导致多光子电离，自聚焦效应等各种非线性效应。同时，飞秒激光与生物组织的相互作用时间和生物组织的热驰豫时间(在ns量级)相比，显得微不足道，对生物组织来说几度的温度上升会变成压力波传到神经细胞产生疼痛感，同时也对细胞造成热损伤，所以飞秒激光可以实现无痛无热损伤治疗。飞秒激光具有能量低、损伤小、准确度高并能在三维空间上严格定位的优点，能最大限度地满足生物医学领域地特殊需要。把飞秒激光用于牙齿的治疗可以获得没有任何边缘损伤的干净整齐的孔道，避免了长脉冲激光(如Er:YAG)造成的机械应力和热应力的影响钙化与裂纹和粗糙的表面。把飞秒激光应用于生物组织精细切割时，通过光谱分析飞秒激光与生物组织作用过程中的等离子体发光，可以识别到骨质组织和软骨组织，从而确定和控制手术治疗过程中所需要的脉冲能量。这种技术对于神经和脊椎手术具有重大意义。波长范围在630-1053nm的飞秒激光可对人脑组织实施安全、清洁、高精度的非热性手术切割烧蚀。用波长为1060nm，脉宽为800fs，脉冲重复频率为2kHz，脉冲能量40μJ的飞秒激光可进行清洁、高精度的角膜切割手术。飞秒激光无热损伤的特点，对于激光心肌血管重建术和激光血管成型术都具有重要意义。2002年，德国汉诺威激光中心用飞秒激光在一种新的聚合物材料上完成了血管支架结构的突破性制作，这种血管支架和以往的不锈钢支架相比具有很好的生物兼容性和生物降解性，对冠心病的治疗具有重要意义。在临床检测及活体检定中，飞秒激光技术能在微观水平上自动完成对有机体生物组织的切割，并获得高清晰度的三维图像。该技术对癌症的诊断治疗和研究动物368遗传基因的变异，具有重要意义。

在基因工程领域。2001年德国的K.Konig等利用钛宝石飞秒激光对人类的DNA(染色体)进行了纳米级的操作(最小切割宽度100nm)。2002年U.irlapur和Koing利用飞秒激光在癌细胞膜上打一个可逆性微孔，然后使DNA通过这个孔进入细胞，以后细胞自身的生长封闭了该孔，从而成功地实现基因转移。这种技术具有可靠性高、移植效果好等优点，对于移植外源遗传物质进入包括干细胞在内的各种细胞具有重要意义。在细胞工程领域，应用飞秒激光在活体细胞内实现了纳米手术操作而未伤及细胞膜。飞秒激光的这些操作技术对基因疗法，细胞动力学，细胞极性，抗药性以及细胞内部不同成分和亚细胞异质结构等方面的研究都具有积极意义。

在光纤通信领域，半导体光电器件材料的响应时间是制约超商速光纤通信“瓶颈”，应用飞秒相干控制技术町使半导体光开关的速度达到10000Gbit/s，最终能达到量子力学理论上的极限。此外把飞秒激光脉冲的傅立叶波形整形技术应用于时分复用、波分复用和码分多址等大容量光通信中，能获得1Tbit/s的数据传输速率。

在超微细加工领域中，飞秒激光脉冲在透明介质中发生的强烈自聚焦效应使激光焦斑小于衍射极限，在透明材料内部产生微爆炸现象，形成直径为亚微米的立体像素。利用这种方法，可以进行高密度的三维光学存储，存储密度可达到1012bits/cm3。并可以实现快速的数据读、写，并行数据随机存取。相邻数据位层之间的串扰很小，三维存储技术已成为当前的海量存储技术发展的一个新的研究方向。光波导、分束器、耦合器等是集成光学的基本光学组件，利用飞秒激光在计算机精密控制的加工平台上，可以在材料内部的任意位置制作出任意形状的二维、三维的光波导、分束器、耦合器等光子器件，并能和标准光纤耦合，利用飞秒激光还可以在光敏玻璃内部制作45°微型反射镜，现已制作出由3个内部微型反射镜组成的光学回路，可以使光束在4mmx5mm面积内转270°。更具有科学意义的是最近美国的科学家已用飞秒激光制作出一条长1cm的增益光波导，它在1062nm附近可产生3dB/cm的信号增益。

光纤Bragg光栅具有有效的选频特性，易于和光纤通信系统耦合且损耗小，因此它在频域中呈现出丰富的传输特性，成为光纤器件的研究热点。2000年，Kawamora K等人首次利用两束红外飞秒激光干涉法得到表面浮雕全息光栅。以后随着制作工艺与技术的发展，2003年M ihaiby．S等人采用钛宝石飞秒激光脉冲与无零次相位板结合在通信光纤的纤芯上获得反射Bragg光栅，它具有很高的折射率调制范围和很好的温稳定性。

光子晶体是折射率在空间具有周期性调制的介电结构，它的变化周期和光的波长为同一个数量级。光子晶体器件是一种全新的控制光子传播的器件，已成为光子学领域中一个研究热点。2001年，Sun H B等人利用飞秒激光在掺锗二氧化硅玻璃内制作出任意晶格的光子晶体，它能单独地为单个原子选址。2003年，Serbin J等人利用飞秒激光诱导无机有机混合材料的双光子聚合现象得到结构尺寸小于200nm，周期为450nm的三维微结构和光子晶体。

飞秒激光在微光子器件加工领域中取得的突破性成果，使在一个“芯片”上加工出包括方向连接口、带通滤波器、多路复用器、光开关、波长转换器以及调制器等组件在内的平面光波环路成为可能。为光子器件代替电子器件奠定了基础。

光掩模和光刻技术使微电子领域中的一个关键技术，它直接关系到集成电路产品的质量和生产效率。利用飞秒激光可以对光掩模的缺陷进行修复，修复的线宽可以达到小于100nm的精度，利用飞秒激光直写技术町以快速，有效地制造高质量的光掩模，这些成果对微电子技术的发展具有重要意义。

3 结束语

科学技术的发展和激光技术巨大的应用介质极大地推动了激光技术自身的发展，现在激光的输出波长已实现从远红外到X射线的全波段调谐，输出功率已经达到几百千瓦，峰值功率已经达到PW(1PW=1015W)，激光的输出脉冲宽度已经压缩到飞秒(1fs=1e−15s)并将进入阿秒(1as=10-18s)量。激光技术的快速发展与应用，尤其是飞秒激光的发展与应用导致科学技术的许多研究领域发生了重大的变革，加快了人类社会由电子时代向光子时代迈进的步伐。