超快激光的应用场景及未来发展

文/韦小明 巨文博 陈立宇 刘涛 王文龙

超快激光是指脉冲宽度为皮秒（10-12s）/飞秒（10-15s）级别（甚至更窄）的脉冲激光，它是推动基础科学实现重大突破、孕育颠覆性技术的利器，是驱动战略性新兴产业发展的动力源泉。面向世界科技前沿，超快超强激光能创造出前所未有的超快时间、超高强场、超高温度和超高压力等极端物理条件，是推动等离子体物理、原子分子物理、粒子物理与核物理等学科发展的重要基础科学研究工具。面向经济主战场，超快激光是推动集成电路、消费电子、航空航天、船舶海工、新能源汽车等国民经济支柱产业实现转型升级的利器，Laser Focus World数据预测，2026年超快激光市场规模将达千亿元，相关产业规模则高达万亿元。面向国家重大需求，超快激光是解决芯片、发动机、材料、数控机床等领域“卡脖子”问题的关键技术，为破解国家发展战略难题、发展世界领先科技提供新动力。面向人民生命健康，超快激光是激光质子刀、（激光）等离子体医学等精准医疗领域的核心技术，在基础研究和临床诊疗方面催生了众多新技术，如激光荧光显微检查、激光光谱分析、激光手术等，促进先进医疗健康行业快速发展。

超快激光的时域特性

一、超快激光与基础研究

超快激光是基础科学研究的重要工具，基础科学研究的进步伴随着超快激光性能的提升。在微观尺寸研究中，诸多物理、化学、生物现象持续时间极短，例如，化学反应中分子转动和振动对应皮秒和飞秒量级瞬态过程，核外电子运动的特征时间则达到阿秒（10-18s）量级。电子通常是响应外界变化和原子间相互作用的第一步，决定着整个微观过程的演化方向，基于超快激光的探测技术能准确地捕捉其中的瞬态过程，为研究核外电子物理性质提供重要信息。超快激光兼具超快时域特性和超高峰值功率特性，在创造极端物理条件方面发挥着不可替代的作用。此外，利用超强超快激光可在实验室中研究激光粒子加速、光核物理、伽马光－光对撞等微观尺度的前沿物理问题。因此，超快激光是基础研究最重要的工具之一。

在宏观尺寸研究中，遥远星系中极端天文事件观测、系外类地行星搜索等研究依赖大科学探测装置，为实现协同观测，大型观测装置对定时抖动的要求极为苛刻，传统射频时钟定时精度难以满足其需要，而超快激光产生的微波信号具有极低的时间抖动，是大装置模块间实现精确定时控制的关键技术。此外，场演化方程的相似性使得超快激光能模拟自然界中跨尺度复杂物理现象的演化过程，如天文学中黑洞和白洞视界、海洋流体力学中湍流和怪波现象、多体体系中玻色－爱因斯坦凝聚等，为揭示其物理本质提供了新思路。

二、超快激光与生命健康

超快激光催生了众多新技术，如激光荧光显微分析、激光光谱分析、激光手术等，促进了高端医疗装备的快速发展。在生物成像领域，基于超快激光的双光子激发显微成像技术是观测生物微观结构与功能的重要工具。近红外超快激光辐射作用较弱，不易引起生物组织内水分子共振，且穿透生物组织能力较强，因此，红外超快激光与双光子激发相结合能极大程度地推动生物光子学基础研究，特别是在脑科学领域，该技术是观察和剖析大脑神经活动中复杂机制的关键手段。对神经细胞膜电位变化进行实时记录，有助于理解和掌握大脑神经元网络、神经回路活动机理和信息处理机制。

在临床医学领域，相比于传统准分子激光技术，利用基于超快激光的视力矫正技术，医生可以在组织中准确定位需要创造的微切口，增加激光视力矫手术精度；同时，因其只需较低的脉冲能量，对周围组织产生的热损伤效应也较弱，因此应用于视力矫正具有更高的准确度、更轻的疼痛感、更佳的术后视觉效果，已成为治疗近视的主流方法。此外，超快激光是激光质子刀、等离子体医学等精准医疗的核心技术。相比于传统加速技术，飞秒激光加速质子束具有尺寸小、脉冲短、亮度高、能谱宽等特点，可实现质子放疗装置的小型化、低成本和低能耗。面对这一新发展机遇，广东省引进了科技部批准的“激光质子加速器装置研究与应用示范项目”成果，落户广州白云并将产业化，打造千亿元级激光质子放疗新产业。

三、超快激光与高端制造

超快激光在加工过程中，热能可以在前后脉冲之间产生叠加效应，提高超快激光与材料的非线性作用，降低阈值，真正实现高速无热损伤的“冷”精密加工，可将微纳加工精度和速度提高1000倍以上。超快激光作为高端制造的核心技术，已广泛应用于精密制造、航空航天、消费电子、生物医疗等领域。面对超快激光精密加工的巨大潜力，欧盟光子技术公私合作伙伴关系计划（Photonics Public Private Partnership）在规划下一代光子研发战略路线中确立了大功率超快激光研发计划（MODUS kW-fl exiburst Project），并获欧盟第八研发框架计划“地平线2020”的支持，旨在发展适合于新一代高端制造技术的超快激光器。此外，超快激光在透明材料内的传播过程中可产生非线性吸收、等离子体、烧蚀等现象，能实现高力学、光学性能焊接，在透明材料焊接领域具有重大应用价值。基于超快激光的双光子聚合技术能实现精度达100nm的3D打印，在智能光学、生物传感、仿生器件等多个领域有着广泛的应用前景。

四、超快激光产生技术

超快激光的应用领域

超快激光产生技术可分为主动式与被动式锁模两大类。主动式锁模指的是通过由外部向激光器提供调制信号的途径来周期性地改变激光器的增益或损耗，从而产生超窄脉冲；而被动式锁模则是利用材料的非线性吸收或相变的特性来产生超窄脉冲。在主动式锁模超快激光产生技术中，需要引入声光或电光调制器等这类主动器件来对谐振腔内的激光振荡进行周期性损耗调制，使各纵模以一定的相位和幅度相互耦合，从而形成超快脉冲输出。该类超快激光的产生可通过射频调控实现激光器状态的灵活切换，但主动器件的引入也使得整体结构更加复杂，且对环境抖动较为敏感。

被动式锁模超快激光产生技术则利用具有可饱和吸收特性的无源器件，对激光腔内的激光进行调制，以实现超快激光输出。可饱和吸收特性指其吸收或损耗随入射光强变化而变化，光强越强光损耗越小，光强越低则损耗越大，从而实现对激光腔内输出状态的选择性调控，达到输出超快激光的目的。可饱和吸收体又分为自然可饱和吸收体以及等效可饱和吸收体两种。其中，常见的自然可饱和吸收体有半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管、石墨烯以及一些新型二维材料等。等效可饱和吸收体通常由多个光学器件、效应共同实现可饱和吸收效应，包括非线性偏振旋转（NPR）、非线性光学环形镜（NOLM）、非线性放大环形镜（NALM）、非线性多模干涉、Ma myshev再生器等。

对超快激光理论的深入研究是提升超快激光性能的基础。Ippen等人利用具有可饱和吸收特性的染料首次基于被动锁模脉冲技术实现稳态染料脉冲激光输出。Haus教授针对瞬态被动锁模过程复杂的问题，提出了基于快可饱和吸收体的被动锁模技术的时域解析理论，并逐步发展了金兹堡－朗道被动锁模激光器主方程（也称为Haus主方程，HME），奠定了超快激光的理论框架。HME理论框架中包含了增益、损耗、色散、非线性等效应，描述了光束在前述效应相互作用下的传输过程。因此，增益、损耗、色散、非线性等参数空间与锁模激光器的输出脉冲状态可通过HME建立联系。HME在描述不同参数空间下锁模激光器中的孤子形态方面获得了巨大成功，成功揭示了锁模激光器中形成传统孤子、暗孤子、耗散孤子、自相似孤子、增益引导孤子等脉冲形态的机制。但是，HME理论框架并不适用于所有参数空间，例如，当增益介质的寿命不满足远大于可饱和吸收体的弛豫时间时，HME对锁模激光器输出状态的描述将会失效。因此，物理学家长期致力于拓展锁模激光器主方程的适用范围，直至2020年，Perego等人发展了相干主方程（CME），囊括了快增益弛豫的物理过程。

超快激光产生过程

目前，全球超快激光技术由少数机构和企业掌握，主要集中在美国、德国、法国、英国等发达国家。据统计，我国超快激光器整体进口率超80%，核心超快激光元器件依赖进口。近年来，发达国家对我国的高新技术封锁尤为明显，并有愈演愈烈之势。因此，开展具有自主知识产权的先进超快激光技术研究迫在眉睫，这直接关系到我国高端装备、新一代信息技术、生物医药等重点战略领域的发展。中国科学院物理研究所、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所、北京大学、清华大学、天津大学、华中科技大学、北京工业大学、华南师范大学、华南理工大学等单位正大力开展超快激光技术攻关；同时，大族激光科技产业集团股份有限公司、武汉华日精密激光股份有限公司、英诺激光科技股份有限公司、东莞市杰普特光电技术有限公司等国内激光企业也在大力推进超快激光技术产业化。

五、超快激光的未来发展

（一）学科建设

展望未来，超快激光可与物理、化学、生物、医学、材料、能源、电子、信息、制造、航空航天等多学科交叉，激发科技创新活力，有望孕育新的科技革命。目前，超快激光技术正朝着“更高脉冲能量、更高平均功率、更窄脉冲宽度”目标发展，亟需基础理论、发光材料、光电子器件、工程技术等多维度创新。围绕超快激光技术和前沿共性问题进行学科布局和建设，促进多学科良性发展，加快超快激光在强光物理、飞秒化学、精准医疗、精密制造、激光武器等领域的基础研究和应用技术发展。

（二）人才培养

超快激光技术是典型的多学科交叉前沿技术，其上游包含量子及凝聚态物理、光电子材料及器件、数学及控制科学等基础学科，下游辐射众多应用领域，如分析测量、精密制造、精准医学等，相关从业人员需要兼具扎实的基础知识和前沿的技术视野。超快激光技术的发展以及应用领域的不断推广，将为更多年轻人提供职业发展机会，吸引越来越多优秀人才投身超快激光技术的基础研究及工程应用领域，预计未来十年带来的新增就业岗位达百万量级。以超快激光技术为核心，推动基础科研和应用技术人才培养，人才红利将惠及众多领域，为国家产业升级和科技驱动创新提供人才保障。

（三）产业建设

立足超快激光技术本身，推动前端材料、光学、电子、机械等上游行业的发展，利用超快激光的时空频测量能力和特殊的光与物质相互作用机制，发展超快测量、精密制造、精准医疗、飞秒化工、激光显示等下游产业，预期带动产值近万亿元。同时，超快激光结合光信息和光分析技术，推动生命科学、环境科学、食品安全等产业发展，反哺基础研究并孕育新型革命性技术。此外，超快激光的高能量密度优势有望为高功率脉冲激光武器，甚至核聚变点火装置的发展提供有力支撑，将成为关乎国家未来重大科技突破的战略技术。