超短脈沖激光是指單脈沖寬度（時間寬度）為數(shù)皮秒至數(shù)飛秒的激光。皮秒是一個時間單位，大約是萬億分之一秒。另一方面，飛秒也是一個時間單位，大約是萬億分之一秒的 1/1000。

據(jù)說光每秒傳播約 300,000 公里。然而，光在1皮秒內傳播的距離約為0.3毫米，光在1飛秒內傳播的距離約為0.3微米。

這表明超短脈沖激光器是脈沖時間寬度極短的激光器。脈沖是在短時間內發(fā)生顯著變化的信號的總稱。

由于其極短的脈沖特性，超短脈沖激光器對激光加工區(qū)域周圍的熱量幾乎沒有影響。此外，許多材料都可以進行高質量的激光加工。

超短脈沖激光的應用

超短脈沖激光具有高峰值強度，并且由于分子吸收多個光子時可引起“引起電離的多光子電離"或“由于光的強電場的隧道電離"相關的非線性吸收，因此即使在透明材料中也具有強吸收。 。

通過將飛秒激光聚焦在透明材料內部，可以在材料內部進行三維加工。

此外，我們可以加工多種材料，從硬金剛石到低硬度玻璃、軟樹脂、復合材料、石英和陶瓷。

超短脈沖激光器幾乎不施加熱量，因此不會產生毛刺，并且可以微米級進行調整。這使得精細加工成為可能，例如鉆孔、修整和微紋理化。

此外，飛秒脈沖激光器可以比皮秒脈沖激光器執(zhí)行更精確的加工。

然而，納秒脈沖激光器受熱影響，可能會產生毛刺。

超短脈沖激光原理

激光振蕩方式主要有兩種：連續(xù)振蕩和脈沖振蕩。具有連續(xù)波機制的激光器稱為CW（連續(xù)波）激光器，激光器連續(xù)振蕩。

另一種類型稱為脈沖激光，激光間歇振蕩。

此外，脈沖振蕩的機制有多種，例如直接調制、外部調制、Q開關和鎖模，每種機制都會產生不同的脈沖寬度。

超短脈沖激光器通常采用鎖模方法來處理皮秒和飛秒脈沖寬度。由于時間和頻率之間的傅里葉變換關系，為了產生超短脈沖，必須有足夠的光譜展寬和恒定的相位關系。鎖模方法被用作創(chuàng)造該條件的最佳方法。

鎖模方式

鎖模方式一般有兩種：強制鎖模和被動鎖模（自鎖模）。

• 強制模式同步

  強制鎖模是一種通過在激光諧振腔內放置損耗或相位調制器并將調制頻率與縱模間距匹配來同步模式之間的相位的方法。

• 被動模式同步

  無源鎖模用諧振器內的可飽和吸收器代替調制器。結果，脈沖的前沿被吸收器刮掉。通過激光介質的飽和來切割后端部分，從而獲得超短脈沖。

超短脈沖激光器價格

超短脈沖激光器的脈沖寬度小于皮秒或飛秒范圍，由于其結構，它們屬于昂貴的激光器范疇。

振蕩波長根據(jù)用途有多種規(guī)格，從1微米波段紅外線的基波，到二次諧波綠光和三次諧波紫外線。還有適用于微細加工的產品，以及用于科學研究的產品，價格范圍一般在數(shù)千萬日元。

超短脈沖激光器的歷史

第一個被稱為紅寶石激光器的脈沖激光器于 20 世紀 60 年代開發(fā)出來。當時的紅寶石激光器屬于普通振蕩，輸出的是短脈沖。然而，自從Q開關方法被開發(fā)出來以來，它已經成為一種實用的激光器，并且至今仍在使用。

Q開關法

Q開關方法主要處理從us（微秒）到ns（納秒）的脈沖寬度。Q開關方式的激光輸出利用脈沖振蕩，是在短時間內一次性獲得大量輸出的方式。

該方法通過降低Q值直到激光晶體發(fā)生粒子數(shù)反轉并變大來限制激光振蕩。然后，當粒子數(shù)反轉達到一定大小時，通過增加Q值來產生強脈沖光。

主要用于加工電子和半導體零件。

通過如上所述的Q開關方法的建立，與使用紅寶石或其他材料的固態(tài)激光器相比，峰值功率得到了提高，使得再現(xiàn)單個高功率納秒脈沖成為可能。

隨后，1965年改進了紅寶石激光器，1966年在玻璃激光器中實現(xiàn)了使用可飽和吸收體的鎖模振蕩。這使得激光輸出能夠在皮秒內完成。

1968年，通過外部壓縮輸出脈沖實現(xiàn)了亞皮秒激光輸出。

此外，20 世紀 70 年代，皮秒的鼎盛時期到來了。在此期間，出現(xiàn)了YAG激光器和染料激光器，并開始利用快速脈沖操作的鎖模，實用的皮秒激光器問世。

此外，1974 年，連續(xù)泵浦染料激光器實現(xiàn)了亞皮秒脈沖的直接生成。

YAG激光

YAG激光是一種通過對釔（Y）、鋁（A）、石榴石（G）等晶體施加強光來激發(fā)并產生激光的方法，這些晶體也被稱為YAG激光。

這種方法不使用電極，因此更容易管理，并且更容易在短時間內進行加工和自動化處理。

染料激光

染料激光器是一種稱為液體激光器的激光器，它使用溶解在酒精、水等中的染料作為激光介質。這種激光器具有很寬的波長范圍并且可以連續(xù)調諧。它還具有廣泛的應用，用于癌癥治療和鈾濃縮。

1981年，一種稱為碰撞脈沖模式同步的方法被開發(fā)出來，開創(chuàng)了飛秒時代。然后，在1982年，通過脈沖壓縮方法的發(fā)展縮短了脈沖寬度。

隨后，到了20世紀90年代，自鎖模鈦藍寶石激光器被開發(fā)出來，穩(wěn)定、高性能的飛秒激光器開始流行。