飛秒激光

概述

       激光曾被視為神秘之光，并已被人類廣泛使用。近年來，科學家研究發現了一種更為奇特的光－－飛秒激光，飛秒激光是人類目前在實驗室條件下所能獲得最短脈沖的技術手段。它在瞬間發出的巨大功率比全世界發電總功率還大?？茖W家預測飛秒激光將為下世紀新能源的產生發揮重要作用。激光的歷史還不到40年，是目前人類觀察發現微觀世界，揭示超快運動過程的重要手段。而且眾多科學技術的研究因此獲得了突破性發展?！?nbsp;

       飛秒激光是一種以脈沖形式運轉的激光，持續時間非常短，只有幾個飛秒，一飛秒就是10的負15次方秒，也就是1／1000萬億秒，它比利用電子學方法所獲得的最短脈沖要短幾千倍，是人類目前在實驗條件下所能獲得的最短脈沖。這是飛秒激光的第一個特點。飛秒激光的第二個特點是具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，比目前全世界發電總功率還要多出百倍。飛秒激光的第三個特點是，它能聚焦到比頭發的直徑還要小的空間區域，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數倍?！?/p>

       飛秒激光的這些特性是如何實現的呢？高功率飛秒激光系統由四部分組成：振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。在振蕩器內，利用一種特殊技術獲得飛秒激光脈沖。展寬器將這個飛秒種子脈沖按不同波長在時間上拉開。放大器使這一展寬的脈沖獲得充分能量。壓縮器把放大后的不同成分的光譜再會聚到一起，恢復到飛秒寬度，從而形成具有極高瞬時功率的飛秒激光脈沖。

用途

        飛秒激光有什么用途呢？眾所周知，物質是由分子和原子組成的，但是它們不是靜止的，都在快速地運動著，這是微觀物質的一個非常重要的基本屬性。飛秒激光的出現使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運動過程?；谶@些科學上的發現，飛秒激光在物理學、生物學、化學控制反應、光通訊等領域中得到了廣泛應用。特別值得提出的是，由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變早期診斷、醫學成象和生物活體檢測、外科醫療及超小型衛星的制造上都有其獨特的優點和不可替代的作用。

       物質在高強度飛秒激光的作用下會出現非常奇特的現象：氣態、液態、固態的物質瞬息間變成了等離子體。這種等離子體可以輻射出各種波長的射線的激光。高功率飛秒激光與電子束碰撞能夠產生硬X射線飛秒激光，產生β射線激光，產生正負電子對?！?/p>

       高功率飛秒激光在醫學、超精細微加工、高密度信息儲存和記錄方面都有著很好的發展前景。高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿，從而制造放電通道，實現人工引雷，避免飛機、火箭、發電廠因天然雷擊而造成的災難性破壞。利用飛秒激光能夠非常有效地加速電子，使加速器的規模得到上千倍的壓縮。高功率飛秒激光與物質相互作用，能夠產生足夠數量的中子，實現激光受控核聚變的快速點火。從而為人類實現新一代能源開辟一條嶄新的途徑。

       目前在國內已有幾家醫院引入這種設備與技術，愛爾眼科醫院集團旗下就有6家子醫院可以做飛秒激光治療近視的手術，值得信賴的。

       飛秒激光是一種特殊類型的激光，其脈沖持續時間非常短，達到了飛秒級別（1飛秒=千萬億分之一秒）。由于其獨特的特性，飛秒激光在多個領域有著廣泛的應用。以下是飛秒激光的主要用途：

1. 醫學領域

       眼科手術：飛秒激光在眼科手術，特別是近視矯正手術中得到了廣泛應用。它可以精確切割角膜組織，改變角膜曲率，從而達到矯正視力的目的。全飛秒激光手術和半飛秒激光手術是目前主流的近視矯正手術方式，具有手術切口小、恢復快、安全性高等優點。

2. 微型器件制造與納米材料加工

       精密加工：飛秒激光因其高瞬時功率和極短的脈沖持續時間，能夠精確聚焦到小尺寸的材料上，進行精細的切割或加工。這使得它在微型器件制造和納米材料加工方面有著巨大的潛力。

3. 科學研究

       物質動態過程研究：科學家們利用飛秒激光脈沖時間短、瞬時功率大等特點，研究物質在飛秒時間尺度上的動態過程。這相當于給照相機安裝了一個超快的“拍照快門”，能夠捕捉分子、材料的變化過程，為科學研究提供重要數據。

4. 新能源領域

       未來能源開發：飛秒激光在瞬間發出的巨大功率比全世界發電總功率還要大，科學家預測飛秒激光將為下世紀新能源的產生發揮重要作用。盡管目前這一應用仍處于研究階段，但飛秒激光在新能源領域的應用前景廣闊。

5. 其他領域

       三維打印與制造：飛秒激光技術還被應用于三維打印與制造領域，特別是在微納米尺度上的三維結構構建方面。例如，利用飛秒激光動態全息加工方法可以高效構建三維毛細血管支架等復雜結構。

       綜上所述，飛秒激光因其獨特的特性在醫學、制造、科研和新能源等多個領域發揮著重要作用。隨著科技的進步和研究的深入，飛秒激光的應用前景將更加廣闊。

特點

       1、飛秒激光是我們人類目前在實驗條件下能夠獲得的最短脈沖，它的精確度是± 5 微米;
 

       2、飛秒激光有非常高的瞬間功率，它的瞬間功率可達百萬億瓦，比目前全世界的發電總功率還要多出上百倍;

       3、物質在飛秒激光的作用下會產生非常奇特的現象，氣態的物質、液態的物質、固態的物質瞬間都會變成等離子體;

       4、飛秒激光具有精確的靶向聚焦定位特點，能夠聚焦到比頭發的直徑還要小的多的超細微空間區域;

       5、用飛秒激光進行手術，沒有熱效應和沖擊波，在整個光程中都不會有組織損傷。

加工材料的優勢

       與傳統連續激光以及長脈寬（納秒，皮秒激光相比，飛秒激光加工材料具有如下特點：

       峰值功率高，容易引起材料的解離。以光譜公司生產的具有再生放大系統的鈦寶石飛秒激光器為例，其脈寬為，重復頻率為單脈沖能量為，其激光脈沖峰值可達的量級。采用多級啁啾脈沖放大技術獲得的飛秒激光脈沖峰值功率已經達到了量級。較強的飛秒激光與材料相互作用時，材料能夠在數百飛秒的時間內發生解離。

       熱效應小，加工精度高，在材料精密加工方面有獨特的優勢。激光與物質相互作用時，熱效應的大小與激光的脈寬之間關系極為密切。一般來說，激光作用到材料上，能量首先被激發的電子吸收，再通過電子晶格散射的作用將能量傳遞給晶格，通常這個過程的時間尺度在幾十個皮秒，之后熱量在晶格之間傳遞，使得周圍晶格溫度升高，引起材料的相變焰化和氣化。對于納秒激光來說，由于其脈沖寬度遠大于電子晶格散射的時間，在脈沖作用的過程中，能量有足夠的時間由電子傳遞給晶格，并在晶格之間擴散，使得晶格溫度逐漸升高發生溶化和氣化。與之所不同的是，飛秒激光器產生的脈沖，其脈寬在甚至更短，此時脈沖的作用時間遠小于電子晶格散射的時間，激光脈沖作用完成時能量來不及傳遞給晶格，此時的晶格是“冷”的。飛秒激光引起的材料解離發生在幾個皮秒的時間內，引起的材料解離過程比較復雜，針對不同的材料解離機制主要有庫倫爆炸和相爆炸兩種。而皮秒脈沖激光與材料相互作用時，產生的熱效應影響介于納秒激光和飛秒激光之間。

       應用范圍廣?，F代研究己經將飛秒激光加工應用于眾多固體材料，范圍涵蓋金屬，半導體，電介質以及聚合物等等。而且，飛秒激光器的發展也頗為迅速，波段覆蓋射線到近紅外，脈寬從數個飛秒到數百飛秒，能夠滿足各種材料的加工需求。特別是最近幾年，飛秒激光器趨于小型化、集成化，輸出的激光功率更加穩定可靠，這使得飛秒激光器成功地從實驗室走向了工廠。

醫療應用

       ——飛秒激光治療近視的優點

       優勢一：大幅降低手術風險 在傳統板層刀手術中，如果刀片旋轉過程中發生負壓環松脫等意外，角膜瓣的制作將徹底失敗，手術只能等三個月以后再做，給患者和醫生帶來極大的心理壓力。而“飛秒激光”手術如出現類似意外的情況，醫生只需將負壓環再次戴上，立即補充激光即可，不需中斷手術。因為飛秒激光在制作角膜瓣時，只產生一些水和氣泡推開角膜組織，對組織無損傷，可對同一患處進行多次手術，安全性大大提高。

       優勢二：嵌入式角膜瓣，復位更準確 板層刀是水平切削的，而眼球表面是一個球體，所以制作的角膜瓣剖面呈“杯蓋”型，與眼球基體的固著性不夠好；而飛秒激光制作的角膜瓣與眼球基體呈“地下井蓋”型嵌入式咬合，復位輕松咬合緊密，不會錯位，更不會出現碎瓣、紐扣瓣等并發癥。同時，它的激光光源也避免了因使用板層刀可能導致的金屬碎屑殘留。

       優勢三：避免醫源性感染 許多小型激光眼科機構在實施LASIK手術時，為降低手術成本，并未嚴格實施“一人一刀片”的原則，將一次性手術刀片反復使用，大大增加了交叉感染等醫療隱患，“飛秒激光”使人類第一次在角膜手術上離開了板層刀，手術過程中發生交叉感染的情況就成為了歷史。  

       優勢四：術后視覺質量更完美 “飛秒激光”可以精確地打開眼部組織分子鏈，制作出更均勻更完美的角膜瓣，有效避免了板層刀制瓣可能出現的醫源性像差等，避免了霧天、下雨天以及夜晚開車等視物條件下出現的眩光、模糊等情況，讓近視者獲得趨于完美的視覺質量。

        優勢五：“全激光”手術，精確度提高百倍 “飛秒激光”能把角膜瓣制作的精確度控制在10－15微米以內，其精確度是板層刀的100多倍，這是板層刀望塵莫及的，對任何患者來說都是更安全的。

       優勢六：不受角膜曲率影響，矯治范圍更廣泛 過去受角膜厚度影響，有近10%的患者因近視太深、角膜太薄，基本無法接受傳統的LASIK等激光手術。而飛秒激光手術不受角膜曲率的影響，對角膜偏薄、角膜曲率變異大的近視患者來說是一大福音

       飛秒激光治近視術前仔細查

       “手術10分鐘，檢查卻要3、4小時，是否本末倒置？”很多準備近視激光手術的患者很驚訝術前檢查的繁瑣，其實不然。一項完美的近視手術，標準、規范、系統的術前檢查是非常重要的，不僅可以幫助醫生設計最適合個人的手術方案，為良好的術后效果奠定了基礎，而且還能夠發現您是否真正適合進行激光矯正手術，預計術后療效，以避免不必要的遺憾。規范的術前檢查包括視力、驗光、眼前段檢查、眼底檢查、眼壓、角膜形態、瞳孔直徑、角膜厚度、眼軸等，其中驗光、角膜形態、角膜厚度、瞳孔直徑對手術方案的設計起決定性作用。

       1.視力：包括遠、近裸眼視力和最佳矯正視力。

       2.驗光：一般眼鏡店的驗光通常采用的就是電腦驗光加插片的方法，其實這得出的結果很粗糙的。所以必須進行醫學驗光，獲得最佳的屈光度數，達到視力最佳且注視持久而舒適的境界。

       3.角膜形態檢查：準分子激光治療近視是應用準分子激光切削角膜前表面，改變角膜的屈光力，而達到矯正的效果，因此，角膜形態的測定可篩選術前病人、選擇手術方式、確保手術療效。

       4.角膜厚度的測量：角膜厚度對于手術的選擇及切削量大小的設計等均有決定性的作用。

       5.瞳孔直徑的測定：瞳孔直徑較大者術后易出現眩光和夜間開車困難，給患者的生活帶來了不必要的麻煩。做此測定能盡量避免此類并發癥的出現。

       6.眼前段健康檢查：可排除結膜炎、角膜炎等疾病。

       7.眼底檢查：術前必須散瞳查眼底，全面了解眼底情況，排除其他眼底疾病，便于患者理解手術和近視本身的并發性改變，還可發現潛在的危險，指導預防性治療。

       8.眼壓檢查：以排除高眼壓和青光眼的可能性。9.眼軸測定：協助確定近視類別，監測眼軸有無增長。10.對于30歲以上平時看近不戴眼鏡或40歲以上的老花患者，還應測量其眼睛的調節功能，以便術后能舒服地使用雙眼進行日常工作與生活。

       9 ORBSCAN Ⅱ：國際上最先進的LASIK術前檢查系統之一，它采用的是裂隙燈掃描技術與先進的Placido盤相結合，可以使醫生得到屈光手術所需的最全面、最精確的數據，可以診斷每一個病人的具體問題，尤其適用于對LASIK手術禁忌癥，如圓錐角膜、早期圓錐角膜、超薄角膜等的篩查。有了OrbscanⅡ的全方位檢查數據，可以讓LASIK手術術前篩查更加萬無一失；術前手術方案制定也更為“個性化”，手術效果更為理想。

應用于醫療的原理

       “飛秒激光”用于眼科近視手術的原理：

       1、飛秒激光有著相當的精確定向性和定位性;

       “飛秒激光”手術的原理有兩個，一個是光傳輸原理，一個是光爆破原理。

       首先，我們來看它的的光傳輸原理：手術前，醫生將患者的基本信息和手術數據輸入電腦。手術中醫生操作“飛秒激光”機，用壓平錐鏡將角膜壓平，保持激光頭到角膜組織中激光聚焦點的精確距離。飛秒激光機按照醫生設定的模式傳輸激光脈沖,在眼角膜上進行各種靶向切削。

       2、飛秒激光刀制作角膜瓣更平整更精確;

       飛秒激光的光爆破原理：激光脈沖聚焦到角膜組織中，產生光爆破;每一個脈沖的光爆破，產生一個微離子;每一個微離子，蒸發大約1微米的眼角膜組織;蒸發眼角膜組織產生擴展的水泡和CO2氣泡，水泡和氣泡被眼角膜組織吸收，眼角膜組織因此被分離。值得注意的是，早期美國intralase飛秒激光產生的氣泡很難被吸收，因此手術人員需要等待大概15—20分鐘后才能進行準分子激光切削；最近幾年被廣泛應用的瑞士達芬奇飛秒激光這種情況就要好的多，氣泡的吸收較快，手術中不用等待，危險系數相對更小。

       電腦控制的光學傳輸系統產生成千上萬的飛秒激光脈沖, 這些脈沖按照密集的等寬度等間距的籬笆墻式的光柵模式，在同一深度聚焦產生光爆破，在眼角膜組織中形成一層微小直徑的氣泡，使眼角膜組織分離，形成飛秒激光的切削面。LASIK(激光近視)手術中制作眼角膜瓣就是運用的這種切削模式形成水平的分離面和垂直面。

       飛秒激光脈沖還可以在角膜組織中進行任何角度和任何范圍的堆砌聚焦，形成角度不同，范圍不同的組織分離，所以，飛秒激光可以在角膜移植手術和lasik手術中對眼角膜進行片狀切削，制作精美的植片和角膜瓣。

發展歷史

       飛秒激光技術隨著科技的進步，不斷的發展，其脈寬越來越短，脈沖的峰值功率越來越大。

       自1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，縮短激光脈沖便成為激光器設計和制作的重要發展方向。為了縮短激光脈沖，在20世紀60年代末到70年代初提出激光鎖模技術，飛秒激光的產生便來源于該技術。

       1974 年，E.P.Ippen 等人發明了腔外光柵對壓縮技術，通過染料激光器第一次獲得了飛秒激光脈沖。

       1981 年，R.L.Fork 等人通過碰撞脈沖鎖模技術，通過染料激光器獲得了 90fs的激光脈沖。

       但是，染料激光器結構復雜，需要染料循環系統，且其增益帶寬狹窄，只能在實驗室的條件下研究，不能廣泛應用，所以在固體激光器特別是鈦寶石晶體激光器出現后，迅速的淘汰了。

       1983年，D. E. Spence 等人發明了自鎖模技術，也稱克爾透鏡鎖模，這種技術的特點是不需要附加脈沖鎖模。

       1981年美國爾實驗室的人首次利用碰撞鎖模技術（在環形染料激光器中得到了脈寬僅的超短激光脈沖。1985年該實驗室的人在激光腔內引入可補償腔內群速彌散的四棱鏡結構，得到的超短激光脈沖，大大推動了超短脈沖技術的發展。 

       1985年，Strickland 和 Mourou 提出了啁啾脈沖放大理論，為飛秒激光器的發展奠定理論基礎。

       1989年，P. N. Kea 等人發明了耦合腔鎖模技術，也稱為附加脈沖鎖模，并獲得了數百飛秒的激光脈沖。

       1991年，D. E. Spence 等人又利用自鎖模技術，以摻鈦藍寶石為增益介質，獲得了60飛秒的激光脈沖，這被看成是人類歷史上第一束真正意義上的飛秒激光脈沖。同年，A.Sullivan 等人獲得了100fs，峰值功率為3TW 的激光脈沖。以鈦寶石晶體作為增益介質的激光器，其優點是結構簡單、性能穩定、工作壽命長，而且其峰值功率高，能夠調諧的范圍大，能夠廣泛應用。所以迅速取代了染料激光器的地位，迅猛的發展起來。

       1993年，M.T.Aaki 等人用摻鈦藍寶石激光自鎖模技術，得到了11fs 的激光脈沖，同樣美國華盛頓州立大學和奧地利維也納大學獲得了10fs 的激光脈沖。

       1996年，C.P.J.Barry 等采用再生放大脈沖整形和高階色散補償技術，獲得了脈寬 18 fs，4.4TW 的峰值功率脈沖輸出。

       1997年，U.Keller 等人利用啁啾技術與棱鏡結合的方式獲得了6.5fs 的激光脈沖。同年，Stuart 等利用釹玻璃放大器，獲得了395fs，峰值功率125TW 的激光脈沖。1999年，Perry 等改進了釹玻璃放大器，獲得了440fs，峰值超過1.5PW 的激光脈沖。 

       2004年，日本北海道大學研究小組利用光纖對啁啾放大系統輸出的脈沖光譜進行展寬后再進行壓縮，獲得了脈寬為2.8fs 的飛秒激光脈沖。同年，國內中科院上海光機所用自己的生產的鈦寶石晶體，成功獲得了36fs，峰值功率120TW 的激光脈沖。

       在近年的研究中，奧地利維也納大學、加拿大國家研究中心和德國比利菲爾德大學的研究人員利用強場高次諧波的技術，成功獲得了650埃秒（as）激光脈 4沖。這使激光的發展跨出了飛躍的一步。 由于飛秒激光自身的特點，脈沖短，能量高，峰值功率大，其在應用方面有著廣闊的前景。飛秒激光技術已經廣泛的應用于環境、信息、醫療、國防、工業等各個領域。

       飛秒激光是一種以脈沖形式運轉的激光，持續時間非常短，只有幾個飛秒，一飛秒就是10的負15次方秒，也就是1/1000萬億秒，它比利用電子學方法所獲得的最短脈沖要短幾千倍。這是飛秒激光的第一個特點。飛秒激光的第二個特點是具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，比全世界發電總功率還要多出百倍。飛秒激光的第三個特點是，它能聚焦到比頭發的直徑還要小的空間區域，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數倍。

       2024年2月4日，從中國科學技術大學獲悉，該校工程科學學院微納米工程實驗室副教授李家文課題組，提出適用于三維毛細血管支架高效構建的飛秒激光動態全息加工方法，并用其打印出三維毛細血管網絡。該成果已發表于《先進功能材料》，相關技術已獲專利授權。

和準分激光區別

       飛秒激光和準分子激光在多個方面存在顯著的差異。以下是對這兩種激光的詳細比較：

激光性質

       準分子激光：是一種遠紫外冷激光，穿透力微弱。其波長是193nm，主要原理是通過打破細胞之間的分子鍵，直接使組織氣化產生作用。

       飛秒激光：是一種脈沖形式的激光，持續時間非常短，只有幾個飛秒，穿透力比較強。其波長大約是1053nm，主要作用是在組織之間產生小氣泡，氣泡通過爆破原理達到分離作用。

手術方式

       準分子激光：手術過程中需要先制作角膜瓣，通常選用不同直徑的上皮環鉆分離角膜邊緣，使其形成角膜瓣，然后用準分子激光切削角膜基質層。

       飛秒激光：手術過程中無需制瓣，是在角膜上進行立體切割，制作成一個合適的角膜基質透鏡，再由微小的角膜切口取出透鏡即可。

手術效果與優勢

       準分子激光：

       切削整齊光潔、精確性高、預測性強、穩定性好、合并癥極少。

       患者手術中無痛苦、無需住院、不影響正常的工作生活。

       具有響應快、安全性高的優點。

       飛秒激光：

       全程不揭瓣，且更精準，手術后視力恢復快，用藥時間短、副作用少，可以提高視覺質量。

       飛秒激光比準分子激光更安全，它可以根據患者的個體化差異調節瓣的厚度、瓣和蒂的位置，且每個人都是用無菌治療包，感染風險更小。

       飛秒激光手術適應度數為100~1200度，600度以內的散光。

價格與應用

       準分子激光：相較于飛秒激光，價格更為親民。

       飛秒激光：價格較高，但由于其卓越的性能和廣泛的應用范圍（包括環境、信息、醫療、國防、工業等領域），仍受到市場的青睞。

       綜上所述，飛秒激光和準分子激光在激光性質、手術方式、手術效果與優勢以及價格與應用等方面都存在顯著的差異。在選擇時，患者應根據自身的具體情況和醫生的建議來做出合適的選擇。