超短脈沖激光器已經(jīng)在一些需要極高精度的商業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮作用。IBM公司利用飛秒光器消除光刻掩模中大小僅為10nm的缺陷，以制作最先進(jìn)的集成電路。在準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)（LASIK）中，IntraLase公司開發(fā)的飛秒激光系統(tǒng)，能夠比傳統(tǒng)刀片更為精確地切割角膜皮瓣。這些都是飛秒激光應(yīng)用的先驅(qū)。新一代飛秒激光的應(yīng)用包括：在硅中寫三維波導(dǎo)、加工微流裝置，以及在活體細(xì)胞內(nèi)無需在細(xì)胞膜上刺孔就可以進(jìn)行手術(shù)。
作用于材料的超快效應(yīng)
用強(qiáng)脈沖照射材料能夠激發(fā)非線性吸收過程，從而改變材料的形態(tài)或鍵結(jié)構(gòu)——引起局部膨脹、收縮，或改變材料內(nèi)部的折射率，以及燒蝕材料表面。中佛羅里達(dá)大學(xué)（University ofCentral Florida）的DavidRichardson稱：“我們確實(shí)是利用材料科學(xué)研究材料表面。”理解這些結(jié)構(gòu)變化，將有望開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。
對(duì)于表面燒蝕而言，超短脈沖吸引人的地方是其更高的精度。脈寬大于35ps的脈沖，會(huì)將熔化的材料噴濺到燒蝕區(qū)周圍，并且將周圍區(qū)域加熱以至產(chǎn)生損傷。飛秒脈沖能夠?qū)⒏叩姆逯倒β蕰?huì)聚到更小的區(qū)域，產(chǎn)生波長(zhǎng)不敏感的非線性效應(yīng)，從而對(duì)材料進(jìn)行燒蝕，并且?guī)缀鯇?duì)周圍的區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生熱損傷——這對(duì)掩模修復(fù)等高精度加工至關(guān)重要。
超短脈沖在打孔方面的應(yīng)用也頗具吸引力，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)高厚徑比的小孔。去年五月的國(guó)際激光器和光電子學(xué)會(huì)議（CLEO#p#分頁標(biāo)題#e#）上，德國(guó) FriedrichSchiller大學(xué)的研究小組報(bào)道了光纖放大激光器輸出的800fs脈沖，能夠在脈沖重復(fù)率接近1MHz的情況下，在幾微秒的時(shí)間內(nèi)在
用超短脈沖在透明固體中制作三維結(jié)構(gòu)具有廣闊前景。通過高數(shù)值孔徑透鏡對(duì)光束聚焦，能夠使表面處的光強(qiáng)低于損傷閾值，但材料內(nèi)部焦點(diǎn)處會(huì)聚的光強(qiáng)足以使材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
如果使用數(shù)值孔徑為0.65的透鏡將40～150nJ的脈沖聚焦，可以產(chǎn)生閾值最低的非線性效應(yīng)，它會(huì)使材料的折射率變大。盡管研究人員對(duì)該過程的細(xì)節(jié)還并不完全清楚，但通常認(rèn)為，非線性吸收會(huì)將焦點(diǎn)處在短時(shí)間內(nèi)加熱到熔點(diǎn)以上，此后玻璃迅速固化為具有更高折射率的致密態(tài)。玻璃的兩種特別性質(zhì)對(duì)該效應(yīng)起到貢獻(xiàn)——玻璃的密度隨溫度升高而增加，并且如果固體快速冷卻的話，它將維持熱液體所具有的更高密度。令一系列脈沖入射到材料并同時(shí)移動(dòng)焦點(diǎn)，可以寫高折射率波導(dǎo)。Schaffer表示，重復(fù)率越高效果越好，因?yàn)槿刍约袄鋮s動(dòng)力學(xué)行為，能夠消除脈沖間的相對(duì)變化，從而獲得損耗更低、更為平滑的波導(dǎo)。
在相同的聚焦條件下，150～500nJ更高功率的入射脈沖，將導(dǎo)致交替的玻璃層內(nèi)折射率發(fā)生雙折射變化，從而獲得納米尺度光柵。脈沖會(huì)在電磁場(chǎng)的一個(gè)分量上消耗一個(gè)玻璃薄層，并且消耗的玻璃會(huì)轉(zhuǎn)移到相同分量的相鄰位置，在該過程中產(chǎn)生平面納米裂紋，排列方向取決于脈沖的偏振方向。加拿大國(guó)家研究委員會(huì)的研究人員通過實(shí)驗(yàn)表明：利用偏振方向不同的光，能夠擦除并重寫納米裂紋。該技術(shù)在全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面具有應(yīng)用價(jià)值。
峰值功率更高的脈沖將使玻璃蒸發(fā)，導(dǎo)致材料從焦點(diǎn)處向外蒸發(fā)、并留下過密層包圍的空缺?？杖贝笮】梢孕∮诓ㄩL(zhǎng)，并且一系列脈沖能夠在玻璃表面下產(chǎn)生諸如螺旋形等雜圖案。該效應(yīng)可用于加工內(nèi)部衍射透鏡或菲涅爾波帶片，它可以對(duì)通過玻璃的光束聚焦。密歇根大學(xué)超快光學(xué)中心的AlanHunt#p#分頁標(biāo)題#e#稱，該效應(yīng)還能用于在玻璃內(nèi)制造微流通道。微流通道的直徑能夠小到20nm，但更大的通道更容易觀察。Hunt使用常規(guī)的光刻方法在玻璃表面刻蝕平面通道，但采用飛秒脈沖制造三維結(jié)構(gòu)。在加工過程中，他將玻璃浸沒在液體中，以消除激光燒蝕通道產(chǎn)生的碎片。
飛秒激光脈沖還可用于精密的外科手術(shù)，因?yàn)榛铙w組織在較短距離內(nèi)相對(duì)透明。目前該領(lǐng)域取得的最大成功是屈光手術(shù)中采用的準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)（LASIK）。相比于其他屈光性角膜切削術(shù)（PRK），LASIK的優(yōu)點(diǎn)在于能夠保留角膜的外層而不是將它燒蝕掉。但這需要首先用刀片切割角膜上皮，將其卷起后再用激光燒蝕角膜。這種切割過程帶來的問題，是導(dǎo)致LASIK病人出現(xiàn)并發(fā)癥的主要原因。
為了改進(jìn)上皮切割，加州大學(xué)Irvine分校的TiborJuhasz將飛秒激光脈沖聚焦到角膜表面下所需的深度處。首先在角膜下切割，然后向上切割以打開上皮。他建立了IntraLase公司，以對(duì)該技術(shù)進(jìn)行商用推廣。該套激光系統(tǒng)造價(jià)昂貴，并且需要病人支付額外的費(fèi)用，但Shaffer稱這套系統(tǒng)物有所值。他說：“采用該療法的并發(fā)癥發(fā)病率如此之低，以至于按照統(tǒng)計(jì)確定度恒量幾乎測(cè)不出來。”
飛秒激光外科手術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究方面的應(yīng)用尤為引人注目。Schaffer稱：“在生物方面，你做的很多事就是將一些東西破壞，然后看看究竟會(huì)發(fā)生什么。”飛秒脈沖能夠到達(dá)組織內(nèi)部并將目標(biāo)結(jié)構(gòu)破壞，如單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
加州大學(xué)SanDiego分校的NozomiNishimura與DavidKleinfeld顯示了飛秒脈沖能夠損傷小血管，以模擬輕度中風(fēng)。目前神經(jīng)學(xué)家認(rèn)為，輕度中風(fēng)是造成老年癡呆癥的主要原因。重度中風(fēng)的后果非常可怕，因?yàn)樗鼘p壞大片組織。然而輕度中風(fēng)能以不同的方式影響較小的區(qū)域，因此受影響的細(xì)胞仍能獲得氧，但不能獲得葡萄糖。飛秒脈沖使研究人員獲得了研究輕度中風(fēng)最早的生物模型，這是人們?cè)陂_發(fā)對(duì)癥療法方面邁出的至關(guān)重要的一步。#p#分頁標(biāo)題#e#
在更為基礎(chǔ)性的研究中，飛秒脈沖還能破壞單個(gè)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。Hunt顯示了破壞具有定制生命周期的細(xì)胞內(nèi)某一細(xì)胞器官，能夠延長(zhǎng)細(xì)胞的壽命。他還用飛秒脈沖改變細(xì)胞分裂所涉及的力學(xué)結(jié)構(gòu)，以研究這些結(jié)構(gòu)起到的作用。
前景展望
誠(chéng)然，飛秒脈沖在許多潛在應(yīng)用中存在局限性。與改變材料的其他精密工具相似，飛秒脈沖的速度比不上一些其他技術(shù)。Hunt稱光刻能夠以更快的速度寫二維結(jié)構(gòu)，但超短脈沖在三維加工方面更具優(yōu)勢(shì)。但是目前光脈沖還不能到達(dá)不透明材料的深處。
然而，飛秒脈沖在某些應(yīng)用中具有顯著優(yōu)點(diǎn)。這些應(yīng)用涉及的范圍極廣，本文提到的只是很少的幾個(gè)方面。據(jù)Richardson稱，隨著超快光纖激光器的迅速發(fā)展，其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹芤骖H多。相比于統(tǒng)治飛秒激光領(lǐng)域多年的摻鈦藍(lán)寶石激光器而言，光纖激光器體積小，造價(jià)低，更加耐用并且性能穩(wěn)定。制作新型結(jié)構(gòu)的能力必將開辟更多的應(yīng)用機(jī)會(huì)。目前，Richardson正使用飛秒激光器加工光學(xué)波導(dǎo)，它可以將光耦合到在相同的集成裝置上制造的微流通道中 ——這是飛秒脈沖的一種全新能力。
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