杏彩体育:盘点超短激光脉冲技术在各领域上的研发进展以及新突破

　　超短脉冲激光，是指超快激光器输出激光的脉冲宽度在皮秒（10－12秒）级别、或小于皮秒级别的脉冲激光。根据输出激光的脉宽不同，超短脉冲激光又可分为皮秒激光、飞秒激光、阿秒激光。超短脉冲激光增加高脉冲的能量极大地改变光物反应。一般情况下，脉宽越窄，加工精度越高。

　　当激光以纳秒量级的脉冲时间进行工作时，可以实现很高的脉冲能量、峰值功率和平均功率，为微型机械加工应用，当激光以皮秒量级的脉冲时间作用到材料上时，加工效果会发生显著变化。随着脉冲能量急剧上升，高功率密度足以剥离外层电子。由于激光与材料相互作用的时间很短，离子在将能量传递到周围材料之前就已经从材料表面被烧蚀掉了，不会给周围的材料带来热影响，因此也被称为“冷加工”。

　　当激光以飞秒的脉冲时间作用于材料表面时，激光器可以输出具有高达千瓦量级的平均功率，几百飞秒（fs）量级以下的脉冲宽度。在重复频率为1kHz至100MHz量级的情况下，其脉冲能量可以跨越毫焦（mJ）至纳焦（nJ）量级，脉冲峰值功率可以高达GW至TW量级。

　　这种集高脉冲能量、高脉冲峰值功率以及高脉冲重复频率于一体的激光器可以高效地加工出比连续或者长脉冲激光更加精细的机械结构。超短脉冲加工能量极快地注入很小的作用区域，瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等影响，从根本上改变了激光与物质相互作用机制。同普遍化的激光加工一样，属于无接触式加工，使用超短脉冲激光在微加工中 特有优势，包括增强的尺寸精度和更严格的公差，减少损害并去除后续处理步骤。

　　这项黑科技在超短脉冲激光在基础研究、工业加工和光通信等广泛领域有重大应用，目前各大国正在加紧研究，以此实现技术上的更新迭代。

　　亚利桑那州立大学的研究人员提出了一种基于亚波长厚(1/5λ0)混合石墨烯-等离子体超表面结构的红外波段增强饱和吸收效果的设计概念。Yu Yao和她在亚利桑那州立大学光子学创新中心的研究团队设计了一种更快、更节能的纳米级激光组件，称为石墨烯—等离子体激元混合亚结构可饱和吸收体，简称GPSMA。

　　该团队的理论和实验结果表明，通过激发纳米级热点内的非平衡载流子，不仅可以增强石墨烯的可饱和吸收，而且可以将饱和通量降低超过3个数量级（从约1 mJ/cm2至100 nJ/cm2)。他们的抽运-探针测量结果显示了超短的饱和吸收恢复时间(60 fs)，这最终由石墨烯中光激发载流子的弛豫动力学决定。他们还根据自相关测量结果在器件中观察到脉冲变窄效应。这样的设计概念可以通过结构工程来定制，以在更宽的波长范围内操作，直至中红外和远红外光谱区域。这些超快低饱和注量可饱和吸收体设计可以实现低阈值，紧凑，自启动锁模激光器，激光脉冲整形和高速光学信息处理。

　　激光产生窄光束。当激光的光与纳米尺度的材料表面相互作用时，它会发出一种被称为等离子体激元的光波，而一个给定的等离子体激元的属性可以发出信息信号。在光传输中，激光器将光抽到一个叫做可饱和吸收体的部件上，以产生光信号。

　　该团队最近开发的GPSMA在通信、信息处理、光谱学和生物医学行业都有潜在的应用。该吸收器可用于提高速度，效率和整体性能，以促进数据传输，信息处理，生物医学传感和成像技术。

　　Yao的团队已经在他们的工作中结合了一种人工工程金属-石墨烯混合材料，因为它在光调制和可饱和吸收方面具有有益的特性。

　　GPSMA目前在电磁光谱上以近红外波长工作.由于石墨烯具有广泛的光学响应，使得它的光谱覆盖范围有可能扩展到红外光谱区域的较长波长，这在分子光谱学和光通信领域具有重要的意义。然而，对于较长的波长，通常很难获得饱和吸收器和产生超短的激光脉冲。GPSMA的设计理念可以填补这一技术空白。

　　来自圣路易斯华盛顿大学的研究人员指出，超短脉冲的激光可以杀死细菌和病毒，而不会伤害到细胞。

　　华盛顿州的研究人员以前一直有在探索超短脉冲激光如何能杀死病毒和普通细菌，但在新的研究中，他们调查了它们能多好地摧毁抗生素抗性细菌以及难以杀死的细菌孢子。

　　研究小组将重点放在两个特定的超级细菌物种上：耐多药的金葡萄球菌(MRSA)和产生ESBL的大肠杆菌，它们分别代表了两个主要类别的细菌之一，即革兰氏阳性和革兰氏阴性。他们还瞄准了蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)孢子，它们是食源性病原体，可以在煮沸或烹调后存活。

　　果然，激光脉冲消灭了超99.9%的每种微生物。该团队说，这项技术之所以有效，是因为激光激发了病毒和细菌内部的蛋白质结构，进而导致它们的一些分子键断开。由于断裂的两端几乎是随机连接的，所以蛋白质功能在微生物内部关闭并杀死它们。

　　重要的是，激光脉冲不会伤害到细胞--该团队表示，它们需要更强大的几个数量级才能对我们构成威胁。这可能使它们成为刺激性化学品、辐射或热的更安全的消毒剂替代品。

　　中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室研究团队提出了一种非线性光学增益调制技术，可以将单频连续激光转换为高相干飞秒脉冲。该方法是获得波长灵活超快脉冲的全新技术手段。

　　西安光机所光子制造系统与应用研究中心持续在高功率大能量超短激光脉冲放大技术研究方面进行攻关，研究团队采用特种玻璃光纤级联单晶光纤的混合式放大技术，实现了100千赫兹重频下近毫焦级能量的超短脉冲放大输出，最大放大输出功率92.9瓦，对应单脉冲能量达929微焦，通过基于温度梯度的宽带大色散啁啾光纤光栅和高衍射效率光栅对压缩器进行精密的色散匹配，将中心波长1030纳米，谱宽仅2.4纳米的超短脉冲压缩至335飞秒（洛伦兹拟合的傅里叶转换极限脉冲宽度325飞秒），压缩后输出脉冲能量达800微焦，对应峰值功率大于2.38吉瓦，是目前基于单晶光纤在百千赫兹重复频率下获得的最大峰值功率的超短脉冲输出，对输出的激光光束质量进行测试，光束质量因子（M2）优于1.3。