1、激光与物质相互作用,朱海红 武汉光电国家实验室C204Tel:027-87544774，13016467839Email:,Laser- Matter Interaction,5:超快激光与物质相互作用及应用,1、杨齐民 钟丽云 吕晓旭编著, 激光原理与激光器件, 2003,2、相关文献,飞秒激光,峰值功率极高：1015W,脉冲短：1015 s,人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段,聚焦光斑小：m量级,比全世界发电总功率还大,聚焦功率密度大：10201022W/cm2,电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍,精确的靶向聚焦,物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气
2、态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体;用飞秒激光进行加工，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会对基材造成损伤。,飞秒激光,飞秒激光,飞秒激光已成为科学探索的最有力的工具,飞秒激光微加工技术将在超高速光通讯、强场科学、纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在的市场前景。,科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。,内容提要,超快激光技术,超快激光与物质相互作用基础,飞秒激光应用举例,超快激光技术,脉冲激光技术,调Q,先关闭Q开关，使得激光器不能起振，使得粒子数反转浓度迅速增大,电光调Q：脉宽达到数ns数十ns；声光调Q：脉宽达到数百ns,在激光腔内增加一个Q开关
3、；打开Q开关，腔呈低损态，高Q值；关闭Q开关,腔呈高损态，低Q值；,当打开Q开关时，粒子数反转浓度远大于高Q态的阈值粒子数反转浓度，激光器开始起振,脉冲激光技术,锁模,腔内存在单纵模和各种模式的组合,锁模就是将需要的那种组合模式选出来让它振荡，即增益相同时，让它的损耗最小,锁模激光器原理腔内波函数空间分布,在三维自由空间中，波的运动方程式为：,在矩形开放式的驻波腔内，只考虑波函数空间分布：,矩形截面光学谐振腔,是垂直于Z轴（x,y平面）的光强分布,锁模激光器原理横模,驻波条件：,得：,分离值,锁模激光器原理横模,由于腔边沿存在严重衍射损耗，所以不能用正弦函数描述，而用高斯函数描述,几种低阶横模
4、的光强分布和光斑图TEMnm,锁模激光器原理纵模,纵模： 是光场沿Z方向的分布,驻波波长 与腔长l应满足如下关系,则波矢,给定一个q，对应一个kz，分离的,对于开放式谐振腔有：,故有：,纵波波长即为光波波长，纵波频率即为光波频率,锁模激光器原理纵模,设有一个激光器，其中有n个纵模在振荡，其中第n个纵模的电矢量为：,都是腔内允许存在的模式,腔内驻波条件,锁模激光器原理纵模,多模场的电矢量E(t)是所有单模场电矢量的总和：,相邻两个纵模的圆频率间隔,这些和是各种各样的，取决于它们之间的相位，所有这些形式的组合实际就是各个纵模的不同形式的拍频，它们同样是腔内允许存在的模式。,腔内允许存在的纵模虽然有
5、无数多个，但必须落在增益线宽内的纵模，才有可能获得增益；,图 腔内可能振荡的最大纵模数,只有增益足够大，满足阈值条件，才能够在腔内振荡；,增益线宽越宽，可能振荡的模式数就越多；,最大模式数不会超过：,锁模激光器原理纵模,锁模激光器原理纵模组合,研究一种简单组合，假设所有纵模的相位都相等且为零，即使这样的求和也是很麻烦的。首先研究三个纵模。,求和，即拍频效应：,上述三个周期电场可分别用三个旋转矢量来表示，设它们的长度都相同为A，而旋转角速度分别为：,锁模激光器原理纵模组合,以一角速度 的动坐标来研究此问题,当 时：,拍的峰值,当 时：,当 时：,锁模激光器原理纵模组合,当 时：,当 时：,当 时
6、：,三模锁相的拍频随时间变化,三模锁相的旋转矢量模型,锁模激光器原理纵模组合,n个, 每个巨脉冲的峰值为nA，空间间隔为2l,记为 En(t),分为两组求和,每个巨脉冲的峰值为nA/2，空间间隔为l，En/2(t),分为四组求和,每个巨脉冲的峰值为nA/4，空间间隔为l/2, En/4(t),锁模激光器原理纵模组合,一直分下去，单个纵模。这些都是允许存在的模式,腔长随机变化，相位也随机，所以上述拍频模式都存在，因此腔内真实存在的模式：,图 各种拍频随机出现时的腔内模式,无论其振幅和相位都在随机变动,锁模激光器原理简单原理,让腔内只有一种拍频模式存在，特别是只让En(t)振荡，而其余拍频不能振荡
7、锁模技术,拍频En(t)是一个周期为T的巨脉冲系列，比起调Q技术获得的巨脉冲，它的脉宽更窄，峰值功率更高,锁模激光器原理简单原理,图 周期性损耗的调制开关,在腔内装上一个周期性的损耗调制器：,每隔T，开关打开一非常短的时间，使损耗减少到最小，刚好能够让巨脉冲En(t)通过，促后又回到高损状态。,En(t)模式能够起振，而其他模式En/2(t) En/4(t)因损耗过大无法起振。,锁模激光器原理脉冲基本参量,锁相脉冲峰值：,锁相脉冲时间宽度锁相脉冲可能的最短脉宽,三相,n相,增益线宽越宽，可参与振荡谱线越多，脉宽越窄,锁模激光器原理脉冲基本参量,n个纵模振荡的激光器，在未锁相的情况下:,平均功率
8、:,锁模峰值功率:,锁模巨脉冲的峰值功率为没有锁模时平均功率的n倍,主动锁模周期性调制谐振腔损耗振幅调制，相位调制 被动锁模可饱和吸收体 同步泵浦锁模周期性调制谐振腔的增益 自锁模 ( Ti-S laser )利用增益介质本身的非线性克尔效应锁模，不需插入任何锁模元件,锁模激光器原理锁模方式,几百fs，如果需要更短脉冲，则脉冲压缩,锁模技术本质是在激光腔内利用恢复时间十分快的高速快门，这种快门可由电信号驱动（声光调制器）或依靠材料特性，例如，可饱和吸收染料或激光器本身的非线性特性自动形成。在钕玻璃或Nd:YAG 激光器中，常用快恢复时间的可饱和吸收体如五甲川，十一甲川等染料作高速快门。这种染料
9、吸收激光使激光器的阈值提高，但当它吸收了足够的光子达到饱和就不再吸收激光，因而对激光呈透明状态，激光腔的损耗因而急剧减少，此时激光产生振荡。由于其恢复时间极短，它很快又恢复到吸收状态，阻碍激光发射。周而复始.,锁模激光器原理锁模方式实现,锁模激光器原理克尔效应,克尔透镜锁模技术,当光强很强时，这种折射率的变化所引起的光的相位延迟不再可以忽略。,光的折射率与光强有关：,对于50m，2.5MW，800nm的激光 ，传播1cm可产生的非线性相移，这等效于一个透镜造成的光束自聚焦高损耗,效果相当于快速可饱和吸收体,Ti:Sapphire晶体吸收和发射光谱发射谱： 600 1150nm,DnG (增益带
10、宽)越宽可以锁定更多的模式(n越大) t就越短,如何获得超短脉冲宽度（fs量级）的激光脉冲？,最短脉冲宽度t = 3fs （理论上） t 5 fs (4.5fs)(实验上） 2003年,钛宝石作为增益介质开始在超短脉冲的产生中发挥了重大作用，为飞秒激光器的固体化，实用化奠定了基础！,将脉冲进行相位非线性调制，使它变成啁啾脉冲（变调脉冲），其频率先高后低（蓝头红尾）；,脉冲压缩技术,随着激光啁啾放大技术的快速发展，激光脉冲的峰值功率也在不断地提高！,将啁啾脉冲导入光栅对中，由于色散它分解为不同频率的光脉冲输出后，在经反射镜反射回来，由于长波脉冲走的路程长，短波脉冲走的路程短，故它们几乎同时返回到
11、原处，合成为更短的脉冲脉冲压缩,利用脉冲压缩技术理论上可以获得3fs,非线性调制：电光调制，最简单的时非线形材料的二阶非线性折射率，如玻璃光纤,Ti:Sapphire飞秒激光,1991年60fs, 845 - 950nm, 300mW ( 6W Ar+ 泵浦）D,E. Spence et al, Opt. Lett. 16, P.421997年20fs 光纤压缩4.5fs20mJ 1KHzM.Nisoli et al, Opt. Lett. 22, P.522 13fs光纤压缩5fs6mJ 1MHz A.Baltuska et al, Opt. Lett. 22, P.1021999年腔内产生
12、 4.3fs (Sech), 4.8fs (Gaussian ), 11020W/cm2（f/1.7）,SILEX-I,极光III号,脉宽：40fs, 峰值功率：200TW峰值强度：1020W/cm2,这是国内目前可进行实验的最高光强,飞秒激光器工作时放大级Spitfire的工作实况,实验室激光部的飞秒激光系统,Fraunhofer激光技术研究所,激光功率：400W光束平方米质量： 1.4效率达到：50%脉宽：700fs谱宽：2 nm,一般商用50W,飞秒激光的发展,飞秒激光的发展,目前国际上开始研究T6系统,Table，Ten hertz, Tens, Tera-watt, Ti:sapph
13、ire,桌上型，10Hz， 可调谐， 几十TW，掺Ti蓝宝石,超快激光与物质相互作用基础,飞秒激光与物质相互作用基础,由于功率密度极强，材料在飞秒激光作用下瞬时产生等离子体,由于产生了极强的电场强度（甚至高于氢原子5x109V/cm),可以对电子加速到极高速度-强场物理,1、几种不同的电离机制多光子电离隧道电离过势垒电离,2、模型低阶微扰理论强场近似模型直接数值求解含时薛定谔方程,飞秒激光与物质相互作用物理机制,原子的单光子吸收 h=6.6310-34J s为Plank常数为光子的频率。,Light Intensity,多光子电离,多光子电离,1931年，Gppert Mayer理论上预言原子
14、可以同时吸收两个或者更多的光子。这样，原子就有可能通过吸收多个频率小于原子电离阈值的光子而电离（多光子电离）。,然而，普通光源的光强仅为103W/cm2，多光子跃迁的几率非常的小，要观察到这种现象必须有非常强的光源。由于当时实验手段上的限制，对这种现象的研究仅仅停留在理论阶段。（氢原子的库仑电场约为 ，对应的强度为 ）,多光子电离,1960年第一台激光器的出现，使得从实验上观测多光子过程成为可能。Kaiser和Garrett首次在实验上观察到了CaF2的二光子激发。,电子的动能为 ，其中 为光子的能量， 为原子的电离能。这是爱因斯坦的光电效应公式的简单推广。在激光强度相对比较低的情况下，可以用
15、微扰理论来解释。( )。,多光子电离,w 1 多光子过程high frequencyand/or low intensity, 1015 Hz)。空间上良好的相干性。实现起来容易且稳定。,Maybe HHG just naturally produces attosecond pulses without even trying,4.3nm,Science 278, 661 (1997),超短驱动脉冲+高电离能介质,超短脉冲激光能有效抑制原子的电离率，而保证高能谐波光子的获得。,超短脉冲驱动的极紫外高次谐波,水窗波段,应用3飞秒激光微加工,高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记
16、录方面都有着很好的发展前景。,大幅降低手术风险 在传统板层刀手术中，如果刀片旋转过程中发生负压环松脱等意外，角膜瓣的制作将彻底失败，手术只能等三个月以后再做，给患者和医生带来极大的心理压力。而“飞秒激光”手术如出现类似意外的情况，医生只需将负压环再次戴上，立即补充激光即可，不需中断手术。因为飞秒激光在制作角膜瓣时，只产生一些水和气泡推开角膜组织，对组织无损伤，可对同一患处进行多次手术，安全性大大提高。嵌入式角膜瓣，复位更准确。 板层刀是水平切削的，而眼球表面是一个球体，所以制作的角膜瓣剖面呈“杯盖”型，与眼球基体的固着性不够好；而飞秒激光制作的角膜瓣与眼球基体呈“地下井盖”型嵌入式咬合，复位轻
17、松咬合紧密，不会错位，更不会出现碎瓣、纽扣瓣等并发症。同时，它的激光光源也避免了因使用板层刀可能导致的金属碎屑残留,应用4生命医学,治疗近视,飞秒用于生物医学,避免医源性感染。无接触。“飞秒激光”使人类第一次在角膜手术上离开了板层刀，手术过程中发生交叉感染的情况就成为了历史。术后视觉质量更完美 “飞秒激光”可以精确地打开眼部组织分子链，制作出更均匀更完美的角膜瓣，有效避免了板层刀制瓣可能出现的医源性像差等，避免了雾天、下雨天以及夜晚开车等视物条件下出现的眩光、模糊等情况，让近视者获得趋于完美的视觉质量。“全激光”手术，精确度提高百倍。 “飞秒激光”能把角膜瓣制作的精确度控制在1015微米以内，
18、其精确度是板层刀的100多倍，这是板层刀望尘莫及的，对任何患者来说都是更安全的。不受角膜曲率影响，矫治范围更广泛 过去受角膜厚度影响，有近10%的患者因近视太深、角膜太薄，基本无法接受传统的LASIK等激光手术。而Intralase飞秒激光手术不受角膜曲率的影响，对角膜偏薄、角膜曲率变异大的近视患者来说是一大福音,应用5其它应用,高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。,利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火
19、。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。,飞秒激光微制造技术,加工材料种类有限；难以实现三维结构的加工；工艺复杂，加工柔性不好。,目前倍受重视的信息业、先进制造业、材料科学与生物技术的发展都有向极端方向发展的趋势，研究的尺度与器件的尺寸越来越小，集成度越来越高，响应速度越来越快，这就要求有极端的技术来支撑。当前，微纳米加工技术主要是硅基加工技术，随着微纳米技术的不断发展，硅基加工技术的局限性也越来越明显 。,飞秒激光微制造技术正逐步发展成为一种能够对材料进行微纳米操纵的精密处理工具！,飞秒激光微细加工的特点,加工过程的非热熔性 加工程度的准确性 加工尺寸的亚微米特性和三维空间分辨性 加工
20、材料的广泛性 加工能量的低耗性,长脉冲作用与短脉冲作用的比较,1.通过热激发或光激发（包括单光子和多光子电离）产生导带电子；2.导带电子通过焦耳加热和雪崩电离在光场中吸收能量，形成等离子体；3.等离子体通过电子声子耦合，把能量传递给晶格。4.晶格被加热，物质融化和升华。5.物质的热扩散和声冲击波引起周围物质结构变化。纳秒微秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含15皮秒纳秒脉冲：光脉冲与物质作用时间包含14飞秒光脉冲与物质作用时间包含13,材料光学击穿(breakdown) 可以分五个主要过程,超短脉冲和长脉冲激光微细加工的比较,Long pulse,Short pulse,(1)加工过程热影响极小，
21、几乎不对周边材料造成损害，加工区域极其精确并具有高度可重复性。与长脉冲比较，飞秒激光加工的边缘极其整齐和精确，并能克服热效应所带来的一切弊端。,(2)加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等，可生成亚微米精细结构,一般激光加工，其横向尺寸大于激光波长，这是由于衍射规律的限制。飞秒激光也受衍射规律的限制，其焦斑尺寸不可能小于半个波长。但由于其峰值功率极高，和物质相互作用时主要是多光子过程。由于激光的强度在空间上一般呈高斯型分布，如果调节入射激光束，使得只有焦斑的中心强度刚好满足材料的多光子电离阈值，则加工过程中的能量吸收和作用范围就被仅限于焦点中心位置处的很小一部分体积内，而非整个聚焦光斑所辐照
22、的区域，加工尺度可远远小于焦斑，达到亚微米级。通过精确调节脉冲能量，甚至可使加工区域达到几十纳米。,(3)飞秒激光加工能够在透明材料内部制备三维微结构,将聚焦强度位于阈值附近的飞秒激光聚焦到透明材料的内部空间，一方面，材料的透明特性使得光束的共振线性吸收可以忽略；另一方面，较低的光束强度又无法满足材料的多光子非线性吸收要求。因此光束几乎可以毫无衰减地到达材料内部的聚焦点。唯有在聚焦点才能获得较高的功率密度，发生多光子吸收和电离，从而实现材料内部三维空间上任意部位的超精细加工。,(4)加工材料范围广，几乎可精密加工任何材料。,飞秒激光加工过程中，脉冲的超高峰值使得材料对入射激光进行多光子吸收而非
23、共振吸收，这就形成加工过程具有确定而依赖于材料中的原子特性的阈值特性。加工对象无材料选择性。,飞秒激光可以精密微细加工玻璃、陶瓷、各种电介质材料、各种半导体、聚合物以及各种生物材料乃至生物组织。,飞秒激光与材料相互作用,三维微结构制备,纳米牛,飞秒激光透明材料内部改性与光子器件微制备,飞秒激光在透明材料内部诱导的折射率改变可制备光子器件,玻璃内部光波导,玻璃内部光栅,Microscope image of the grid grating (a) and square grating (d) by line scanning of the femtosecond laser, with 2.0
24、 J, velocity of 10 m/s, period of 5.2m and 4 passes; (b), (c) and (d), (f) are their 0-order, and 1-order diffraction patterns performed by a He-Ne laser,玻璃内部光栅,双光子光聚合,飞秒激光双光子聚合是利用材料的双光子吸收与光强的平方成正比，因而聚合区域可以小于光束衍射极限，得到比激光波长还小的微米与亚微米结构。,为何能突破衍射极限？光强依赖性双光子聚合明显的阈值性聚焦后的激光强度在空间上呈高斯或类高斯分布,飞秒激光双光子聚合微纳制备,吸收+
25、高效电子转移+聚合,飞秒激光沉积技术与功能薄膜制备,Deposition: 沉积,Femtosecond laser: 800nm, 50fs, 1KHz, 2mJ,Pulsed laser deposition (PLD),KrF Laser: 248nm, 20ns, 50Hz, 700mJ,Anatase and Rutile TiO2 nanocrystalline films,Anatase TiO2Rutile TiO2,ZnO films,飞秒激光制备的薄膜具有更好的发光性能,飞秒激光烧蚀制备大面积均匀纳米结构方面获重要进展最近，在中国科学院院士徐至展领导下，中山大学光电材料与技
26、术国家重点实验室与中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室展开合作研究，采用飞秒激光烧蚀技术成功地在氧化锌、硒化锌等宽带隙材料及石墨表面实现了纳米光栅、纳米颗粒及纳米方块结构的大面积制备。且具有均匀性好，效率高，热效应小，通用性高，环保等优点，更为重要的是，经过这种方法处理后，材料表面的光电特性发生了显著改变，并可随纳米结构的改变而呈现不同的光谱特征。这种方法在新型光电器件等方面具有重要的潜在应用价值，有望提高LED 照明器件的发光效率和增加太阳能电池的吸收效率。相关成果发表在Optics Express (2008, 16,19354-19365)。纳米科技领域国际著名期刊Small (2008, 4, No. 12, 2099)专门报道了该项研究成果，并将它与美国科学家近期实现的“大面积组装单壁碳纳米管三维结构”并列为微纳结构合成制备新方法；另外，自然中国网站在Research Highlights 栏目中也专栏推荐并重点介绍了该成果。,飞秒激光微纳加工技术向着低成本、高可靠性、多用途、产业化的方向发展。,思考题,与常规脉冲激光加工相比，飞秒激光微加工有哪些优点和不足？,与准分子激光沉积（PLC）相比，飞秒激光沉积有哪些优点和不足？,Thank You !,
