激光與物質(zhì)之間的相互作用過程大致為：
        在100 fs的時(shí)間內(nèi)電子吸收光子的能量而躍遷到高能級；為了達(dá)到平衡，電子會(huì)在1 ps的時(shí)間內(nèi)將能量傳遞給晶格；在10 ps的時(shí)間內(nèi)，這些能量將被逐步傳遞到材料內(nèi)部。

       對于飛秒激光而言，脈沖作用時(shí)間已經(jīng)實(shí)際小于1 ps，電子沒有足夠的時(shí)間將能量傳遞給晶格。從而在材料表面生成眾多等離子體，能量伴隨著材料的去除而消散，因此出現(xiàn)強(qiáng)烈的燒蝕效果。用飛秒激光進(jìn)行加工，激光脈沖能量極快地注入很小的作用區(qū)域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制。

      飛秒激光加工時(shí)存在著準(zhǔn)確的多光子吸收閥值。從光和物質(zhì)相互作用的角度而言，飛秒激光是在極短的時(shí)間、極小的空間尺度、極端的物理?xiàng)l件下對物質(zhì)進(jìn)行加工，其過程與傳統(tǒng)的激光加工線性吸收不同，主要涉及多光子吸收。

      只有超過多光子吸收閥值的照射區(qū)域，才會(huì)出現(xiàn)明確的加工行為。飛秒激光加工可以實(shí)現(xiàn)小于焦點(diǎn)光斑尺寸的精度加工，原因在于多光子吸收的光強(qiáng)依賴性。

     飛秒激光脈沖在微細(xì)加工中具有許多獨(dú)特的加工優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：

      飛秒激光加工的組織中沒有熔融區(qū)，沒有重鑄層，不產(chǎn)生微裂紋。這是飛秒加工的最重要特征。它避免了熱熔化的存在，實(shí)現(xiàn)了相對意義上的“冷”加工，大大減弱和消除了傳統(tǒng)加工中熱效應(yīng)帶來的諸多負(fù)面影響。

      飛秒激光加工精度高，不受光的衍射極限的限制，具有很高的空間分辨性。飛秒激光加工對材料沒有選擇和限制性，可以對任何材料進(jìn)行精細(xì)加工、修復(fù)和處理。飛秒激光加工需要的脈沖能量閥值極低，一般只有毫焦耳量級，這決定了加工的能量低耗性。飛秒激光加工精度高，不受光的衍射極限的限制，具有很高的空間分辨性。

秒激光在微納加工的應(yīng)用包括：

       飛秒激光能對石英、玻璃、晶體、光纖等各種透明材料內(nèi)部進(jìn)行三維加工和改性。激光光強(qiáng)大于多光子吸收閥值時(shí)，會(huì)激發(fā)透明材料對光子能量的吸收。迅速升溫然后驟然降溫，可導(dǎo)致光學(xué)透明材料折射率的變化。通過飛秒激光雙光子聚合微細(xì)加工技術(shù)來實(shí)現(xiàn)聚合物的制備。通過雙光子聚合反應(yīng)，并同時(shí)產(chǎn)生固化，生成大分子的聚合物，這樣就得到了需要的三維結(jié)構(gòu)制件。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，作為超精密外科手術(shù)刀，飛秒激光可用于視力矯正手術(shù)；也可用于無痛牙科治療，可以避免了因溫度變化引起的神經(jīng)痛感。在材料制備方面，飛秒激光應(yīng)用于脈沖激光沉積領(lǐng)域，可以進(jìn)行新材料薄膜制備。在100 μm厚的不銹鋼薄片上鉆孔，飛秒激光的加工效果明顯好于納秒激光（圖1），非常干凈。

圖1 納秒脈沖和飛秒脈沖在100 μm厚的不銹鋼薄片上的鉆孔效果對比，3.3 ns對200 fs，1萬個(gè)脈沖，燒蝕閾值附近

圖2給出了利用飛秒和皮秒脈沖在0.5 mm厚的銅片上鉆孔所需的脈沖數(shù)。

結(jié)果表明：飛秒（亞皮秒）脈沖的材料去除過程更高效。

圖2 飛秒和皮秒脈沖在0.5 mm厚的銅片上鉆孔所需的脈沖數(shù)。脈沖能量：30 μJ

在激光脈沖重復(fù)率接近兆赫茲，并具有較高的平均功率的情況下，用于加工金屬時(shí)，飛秒脈沖似乎比皮秒脈沖更有利。在用19 ps的激光脈沖鉆的孔，觀察到一個(gè)薄的熔融層。而用800 fs脈沖的時(shí)候，得到一個(gè)干凈的燒蝕區(qū)（圖3）。

圖3 19 ps(a)和800 fs(b)脈沖在銅片上鉆孔。

重復(fù)頻率 975 kHz；脈沖能量：50 μJ

透明材料的焊接是一個(gè)在各個(gè)行業(yè)不可或缺的制造工藝，包括精密機(jī)械、醫(yī)療、光電產(chǎn)業(yè)等。

與用于微焊接的傳統(tǒng)激光器不同，飛秒激光以高峰值強(qiáng)度的固有特征，利用獨(dú)特的非線性吸收機(jī)制，在沒有插入中間層的情況下，可以直接焊接透明材料，如熔融石英（軟化點(diǎn)，1720 ℃）與 SiC晶圓（熔點(diǎn)，3100 ℃）的焊接。光學(xué)接觸的熔石英和碳化硅在下面的條件下被直接焊接在一起:

1)激光脈沖：50 kHz，240 fs，800 nm;

2）焊接速度和脈沖能量分別為0.5 mm/s和1 μJ。

硬而脆的材料，如藍(lán)寶石對下一代觸摸屏或被作為LED生長的基底是很重要的。實(shí)驗(yàn)表明：不像皮秒脈沖，飛秒脈沖（<700 fs）可以在藍(lán)寶石當(dāng)中用來控制單一的裂縫方向（如圖4所示）。

圖4 裂紋形貌與激光脈沖寬度的依賴關(guān)系

與固體飛秒激光器相比，光纖飛秒激光器有很多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、高集成、高穩(wěn)定、免維護(hù)、免調(diào)試；高增益、低閾值、高轉(zhuǎn)換效率；散熱性能良好；高光束質(zhì)量。光纖激光器是實(shí)用化激光光源的重要方向。

摻鐿(Yb)增益光纖非常適合于中心波長在1 μm的光纖激光器（圖5）。它的主要優(yōu)點(diǎn)包括：能用半導(dǎo)體激光抽運(yùn)（860-1050 nm）；寬增益帶（970-1200 nm）；高飽和能量（35 J/cm2）；高抽運(yùn)效率；無激發(fā)態(tài)吸收等。

圖5 摻鐿(Yb)增益光纖的吸收與發(fā)射光譜

啁啾脈沖放大技術(shù)是飛秒激光脈沖放大的必要手段。它的基本原理是在脈沖放大之前在時(shí)域上對其展寬，以避免脈沖畸變和光學(xué)損傷。然后將脈沖能量放大, 最后利用光學(xué)元件(棱鏡、光柵)對脈寬再壓縮（圖6）。

圖6 飛秒激光器結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)用化的光纖飛秒激光器如圖7所示。它由光纖鎖模振蕩器、光纖脈沖展寬器、光纖功率放大器及光柵脈沖壓縮器構(gòu)成。

圖7 光纖飛秒激光器結(jié)構(gòu)示意圖

在固體飛秒激光器中常用的體光柵脈沖展寬器，由于體積大、穩(wěn)定性差、難耦合進(jìn)單模光纖，并不適合用于光纖飛秒激光器。

如果單模保偏光纖能夠用作脈沖展寬器，這些問題就會(huì)得到解決。但是通常情況下，單模保偏光纖和體光柵脈沖壓縮器都有正的三階色散，不能相互補(bǔ)償，因此脈沖壓縮效果很差。

直到利用由功率放大器產(chǎn)生的非線性相位移動(dòng)來補(bǔ)償光纖脈沖展寬器和光柵壓縮器的3階色散，適合于工業(yè)/醫(yī)療應(yīng)用的穩(wěn)定可靠的光纖飛秒激光器才得以實(shí)現(xiàn)。

作為光纖飛秒激光器應(yīng)用的典型例子，美國IMRA公司和德國Carl Zeiss公司合作開發(fā)的眼科工具–VisuMax（圖8）所用的全飛秒激光手術(shù)技術(shù)是目前全球最先進(jìn)的角膜屈光手術(shù)方式。

圖8 德國Carl Zeiss公司的眼科激光手術(shù)儀-VisuMax

      為了開發(fā)脈沖能量和平均功率更高的光纖飛秒激光器，我們需要：

      更長的被展寬脈沖；更大孔徑的增益光纖；盡可能短的增益光纖；高階模損耗大的增益光纖；更高衍射效率和損傷閾值的光柵。

     國家也非常重視飛秒激光技術(shù)在中國的發(fā)展，在“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃—“增材制造與激光制造”專項(xiàng)中，列入了《工業(yè)級皮秒/飛秒激光器關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化》項(xiàng)目，由武漢華日激光牽頭，聯(lián)合了中科院上海光機(jī)所、華中科技大學(xué)、銳科公司、華工激光共同完成。

     這一研發(fā)項(xiàng)目完成后，將從理論上解決全光纖飛秒激光器的系統(tǒng)優(yōu)化問題，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)大口徑光纖啁啾脈沖放大技術(shù)和創(chuàng)新的時(shí)空整形及聚焦技術(shù)。最終能實(shí)現(xiàn)核心器件的全自主研發(fā)和批量供應(yīng)，飛秒激光器必將達(dá)到世界先進(jìn)水平并打破國外壟斷，滿足工業(yè)高產(chǎn)出率和高質(zhì)量的要求，帶動(dòng)上下游技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，服務(wù)中國制造2025。