超短脈沖激光是指單脈沖寬度（時(shí)間寬度）為數(shù)皮秒至數(shù)飛秒的激光。皮秒是一個(gè)時(shí)間單位，大約是萬億分之一秒。另一方面，飛秒也是一個(gè)時(shí)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(nèi)傳播的距離約為0.3毫米，光在1飛秒內(nèi)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(shí)間寬度極短的激光器。脈沖是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生顯著變化的信號(hào)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(jìn)行高質(zhì)量的激光加工。

超短脈沖激光的應(yīng)用

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

通過將飛秒激光聚焦在透明材料內(nèi)部，可以在材料內(nèi)部進(jìn)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(fù)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(huì)產(chǎn)生毛刺，并且可以微米級(jí)進(jìn)行調(diào)整。這使得精細(xì)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(huì)產(chǎn)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(jī)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(jī)制有多種，例如直接調(diào)制、外部調(diào)制、Q開關(guān)和鎖模，每種機(jī)制都會(huì)產(chǎn)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(shí)間和頻率之間的傅里葉變換關(guān)系，為了產(chǎn)生超短脈沖，必須有足夠的光譜展寬和恒定的相位關(guān)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(qiáng)制鎖模和被動(dòng)鎖模（自鎖模）。

• 強(qiáng)制模式同步

  強(qiáng)制鎖模是一種通過在激光諧振腔內(nèi)放置損耗或相位調(diào)制器并將調(diào)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(dòng)模式同步

  無源鎖模用諧振器內(nèi)的可飽和吸收器代替調(diào)制器。結(jié)果，脈沖的前沿被吸收器刮掉。通過激光介質(zhì)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(jià)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(jié)構(gòu)，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(xì)加工的產(chǎn)品，以及用于科學(xué)研究的產(chǎn)品，價(jià)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(gè)被稱為紅寶石激光器的脈沖激光器于 20 世紀(jì) 60 年代開發(fā)出來。當(dāng)時(shí)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(guān)方法被開發(fā)出來以來，它已經(jīng)成為一種實(shí)用的激光器，并且至今仍在使用。

Q開關(guān)法

Q開關(guān)方法主要處理從us（微秒）到ns（納秒）的脈沖寬度。Q開關(guān)方式的激光輸出利用脈沖振蕩，是在短時(shí)間內(nèi)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(zhuǎn)并變大來限制激光振蕩。然后，當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到一定大小時(shí)，通過增加Q值來產(chǎn)生強(qiáng)脈沖光。

主要用于加工電子和半導(dǎo)體零件。

通過如上所述的Q開關(guān)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(gè)高功率納秒脈沖成為可能。

隨后，1965年改進(jìn)了紅寶石激光器，1966年在玻璃激光器中實(shí)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(nèi)完成。

1968年，通過外部壓縮輸出脈沖實(shí)現(xiàn)了亞皮秒激光輸出。

此外，20 世紀(jì) 70 年代，皮秒的鼎盛時(shí)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(shí)用的皮秒激光器問世。

此外，1974 年，連續(xù)泵浦染料激光器實(shí)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(qiáng)光來激發(fā)并產(chǎn)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(shí)間內(nèi)進(jìn)行加工和自動(dòng)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(zhì)。這種激光器具有很寬的波長范圍并且可以連續(xù)調(diào)諧。它還具有廣泛的應(yīng)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(shí)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(jì)90年代，自鎖模鈦藍(lán)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。