超短脉冲激光：飞秒与皮秒的秘密
在激光技术领域，脉冲宽度是一个至关重要的参数。纳秒激光（10⁻⁹秒）我们相对熟悉，它们在许多工业应用中发挥着作用。然而，当脉冲持续时间进入万亿分之一秒甚至千万亿分之一秒的级别时，我们便迈入了超短脉冲激光的世界，这主要指皮秒激光（10⁻¹²秒）和飞秒激光（10⁻¹⁵秒）。
这两个词听起来像是描述时间极短的概念，但它们在实际应用中代表着两种具有独特能力的激光技术，它们能够以前所未有的精度和极小的副作用处理各种材料。
飞秒和皮秒激光是什么？
简单来说，飞秒和皮秒激光是输出脉冲持续时间极短的激光器。
- 皮秒激光 (Picosecond Laser): 其脉冲持续时间在数皮秒到数百皮秒之间（1皮秒 = 10⁻¹² 秒）。这意味着一道激光脉冲只持续万亿分之一秒量级的时间。
- 飞秒激光 (Femtosecond Laser): 其脉冲持续时间更短，在数十飞秒到数百飞秒之间（1飞秒 = 10⁻¹⁵ 秒）。1飞秒等于1000皮秒，这是一个极其微小的时间尺度，比光绕地球一圈的时间（约0.1秒）短了约14个数量级。
两者最核心的区别在于脉冲持续时间相差了三个数量级（1000倍）。这个看似微小的差异，却带来了与材料相互作用方式的根本性不同。
为什么选择飞秒和皮秒激光？核心优势在哪里？
之所以需要如此短的脉冲，是因为它们与材料的相互作用方式与长脉冲激光（如纳秒激光）完全不同。长脉冲激光主要通过“热”效应来移除或改变材料，激光能量转化为热能，导致材料熔化、汽化，并在作用区域周围产生较大的热影响区（HAZ），可能引起微裂纹、重铸层等问题。
而飞秒和皮秒激光，特别是飞秒激光，由于其极高的瞬时峰值功率（即使单脉冲能量不高，但能量集中在极短的时间内），能够引发材料的“非线性吸收”效应，例如多光子吸收。这意味着材料可以直接从多个光子中吸收能量，而不需要先加热。当能量足够高时，材料会瞬间电离形成等离子体，然后以爆炸性的方式移除，这个过程发生在热量来不及扩散之前。这种相互作用方式被称为“冷加工”或“非热熔蚀”。
这种“冷加工”的优势体现在：
- 极小的热影响区 (HAZ): 最大程度地减少了对周围材料的热损伤。
- 更高的加工精度: 能够实现微米甚至亚微米级别的精细结构加工。
- 能够加工透明材料: 由于非线性吸收，飞秒激光可以直接在玻璃、蓝宝石、聚合物等透明材料内部或表面进行加工，这是长脉冲激光难以做到的。
- 减少微裂纹和碎屑: 材料以更清洁的方式移除，加工表面质量更高。
- 加工范围广: 适用于几乎所有类型的材料，包括金属、半导体、陶瓷、聚合物甚至生物组织。
皮秒激光虽然不像飞秒激光那样完全是“冷”的，但其热效应远小于纳秒激光，介于飞秒和纳秒之间，可以看作是一种“温和”的冷加工，在保证一定加工质量的同时，通常比飞秒激光具有更高的加工效率和更低的成本，因此在许多工业应用中是更平衡的选择。
飞秒和皮秒激光哪里被广泛应用？
由于其独特的“冷加工”能力，飞秒和皮秒激光在许多对精度和损伤控制要求极高的领域找到了关键应用：
医疗健康领域
- 眼科手术: 飞秒激光在角膜屈光手术（如LASIK中的角膜瓣制作、SMILE全飞秒手术）中已成为标准，其精度和光滑度远超机械刀。
- 皮肤美容: 皮秒激光因其能够高效粉碎色素颗粒（如纹身、雀斑、晒斑）而迅速普及，且热损伤极小，恢复期短。飞秒激光也用于更精细的嫩肤和痘坑治疗。
- 外科手术: 在神经外科、心脏科等领域，用于对精密组织的微创切割和消融。
工业制造领域
- 精密微加工: 对硬脆材料（玻璃、蓝宝石、陶瓷）、高熔点金属、聚合物等进行钻孔、切割、刻线，如手机屏幕切割、摄像头盖板钻孔、OLED面板切割、脆性材料划片等。
- 微电子与半导体: 晶圆切割与划片、电路修复、薄膜 patterning、激光退火、芯片内部改性。
- 汽车与航空航天: 对轻量化新材料、复合材料进行高精度、低损伤的加工。
- 增材制造（3D打印）: 用于高精度金属或陶瓷零部件的微细选择性激光烧结。
- 刀具制造: 加工超硬材料刀具的刃口或表面纹理。
科研与科学探索
- 超快光谱学: 作为泵浦光源，用于研究物质在极短时间内的动态过程。
- 多光子显微镜: 提供深度穿透和高分辨率的三维生物组织成像。
- 材料科学: 制备新型纳米材料、表面改性、研究激光与物质相互作用机理。
飞秒和皮秒激光设备通常需要多少投资？
飞秒和皮秒激光器是技术高度密集的产品，制造和维护成本较高，因此设备投资通常比较昂贵。
与传统的纳秒或连续波激光器相比，超短脉冲激光器（特别是飞秒激光器）的初期购买成本要高出许多。
具体的设备价格受多种因素影响：
- 激光类型: 飞秒激光器通常比皮秒激光器更昂贵，因为其技术要求更高。
- 性能参数: 激光的平均功率、脉冲能量、脉冲宽度可调范围、重复频率、光束质量等都会显著影响价格。高功率、窄脉宽、高重复频率的设备通常价格更高。
- 附加功能: 是否集成扫描振镜、自动化平台、视觉定位系统、特定的光学整形模块等，都会增加成本。
- 品牌和产地: 知名品牌或特定国家/地区的设备通常价格更高，但也可能代表更好的性能稳定性、可靠性和售后服务。
- 定制需求: 根据特定应用需求进行定制的系统价格会高于标准配置。
一般来说，一台工业级或科研级的皮秒或飞秒激光微加工系统的投资成本可能从数十万人民币到数百万元人民币不等，高端甚至有达到千万元级别的定制系统。除了初次购买成本，还需要考虑后续的运行维护费用，包括耗材更换、定期校准、技术支持等。
飞秒和皮秒激光是如何产生和作用于材料的？
如何产生超短脉冲？
产生飞秒和皮秒这样极短的激光脉冲，最常用的技术是“锁模”（Mode-locking）。
在一个激光谐振腔内，存在许多不同频率（或模式）的光波。通常这些模式是随机振荡的。锁模技术通过特定的光学元件（如饱和吸收体、声光调制器等）使这些不同模式的光波之间保持固定的相位关系。当这些模式同步叠加时，它们会在时间上周期性地产生一个非常强的光脉冲。通过精心设计和控制谐振腔内的色散和非线性效应，可以压缩这些脉冲，使其持续时间达到皮秒甚至飞秒级别。
如何作用于材料？
当高强度的飞秒或皮秒激光脉冲聚焦到材料表面或内部时，其相互作用过程大致如下：
- 非线性吸收与电离: 激光脉冲的瞬时电场强度极高，足以让材料中的电子通过同时吸收多个光子获得能量，跃迁到更高能级甚至逃逸原子束缚（电离）。这个过程是非线性的，只在高光强下发生。
- 等离子体形成: 大量电子被激发或电离，形成密度极高的等离子体。
- 能量转移: 等离子体中的电子将能量传递给晶格离子，导致局部区域的能量密度急剧升高。
- 材料移除: 能量迅速累积使得材料发生“相爆炸”（Phase explosion）或“烧蚀”（Ablation），形成等离子体羽流，将材料以原子、离子、分子团簇的形式从表面剥离。
整个能量沉积和材料移除过程发生在极短的时间内，远小于热量扩散到周围区域的时间。这使得能量高度局限于激光焦点区域，实现了“冷加工”的效果。
如何选择飞秒还是皮秒激光？
选择飞秒还是皮秒激光主要取决于具体的应用需求和材料特性：
- 对精度要求极高、材料对热敏感或需加工透明材料时: 飞秒激光通常是首选。其“冷加工”特性最显著，能实现最小的热损伤和最高的加工精度，特别适合玻璃、蓝宝石、生物组织、对热敏感的聚合物等。
- 需要更高的加工效率，同时要求优于纳秒激光的加工质量时: 皮秒激光可能更合适。它在加工金属、陶瓷等方面效率较高，虽然热影响区比飞秒稍大，但远小于纳秒激光，提供了精度与效率的良好平衡。在一些应用中，皮秒激光的速度优势可能抵消其在“冷”度上的微弱劣势。
- 成本预算: 通常皮秒激光系统的成本低于同等平均功率的飞秒激光系统。预算也是选择时需要考虑的重要因素。
在实际应用中，有时需要通过实验来确定哪种激光类型、哪个参数范围最适合特定材料和工艺要求。
总而言之，飞秒和皮秒激光代表了激光微纳加工的先进技术，它们以其独特的超短脉冲特性，实现了传统激光难以企及的加工精度和材料适应性，在高端制造、医疗、科研等领域开辟了广阔的应用前景。
