超快激光的應(yīng)用場景及未來發(fā)展

文/韋小明 巨文博 陳立宇 劉濤 王文龍

超快激光是指脈沖寬度為皮秒（10-12s）/飛秒（10-15s）級別（甚至更窄）的脈沖激光，它是推動基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)現(xiàn)重大突破、孕育顛覆性技術(shù)的利器，是驅(qū)動戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力源泉。面向世界科技前沿，超快超強(qiáng)激光能創(chuàng)造出前所未有的超快時(shí)間、超高強(qiáng)場、超高溫度和超高壓力等極端物理?xiàng)l件，是推動等離子體物理、原子分子物理、粒子物理與核物理等學(xué)科發(fā)展的重要基礎(chǔ)科學(xué)研究工具。面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，超快激光是推動集成電路、消費(fèi)電子、航空航天、船舶海工、新能源汽車等國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的利器，Laser Focus World數(shù)據(jù)預(yù)測，2026年超快激光市場規(guī)模將達(dá)千億元，相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模則高達(dá)萬億元。面向國家重大需求，超快激光是解決芯片、發(fā)動機(jī)、材料、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域“卡脖子”問題的關(guān)鍵技術(shù)，為破解國家發(fā)展戰(zhàn)略難題、發(fā)展世界領(lǐng)先科技提供新動力。面向人民生命健康，超快激光是激光質(zhì)子刀、（激光）等離子體醫(yī)學(xué)等精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的核心技術(shù)，在基礎(chǔ)研究和臨床診療方面催生了眾多新技術(shù)，如激光熒光顯微檢查、激光光譜分析、激光手術(shù)等，促進(jìn)先進(jìn)醫(yī)療健康行業(yè)快速發(fā)展。

超快激光的時(shí)域特性

一、超快激光與基礎(chǔ)研究

超快激光是基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要工具，基礎(chǔ)科學(xué)研究的進(jìn)步伴隨著超快激光性能的提升。在微觀尺寸研究中，諸多物理、化學(xué)、生物現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間極短，例如，化學(xué)反應(yīng)中分子轉(zhuǎn)動和振動對應(yīng)皮秒和飛秒量級瞬態(tài)過程，核外電子運(yùn)動的特征時(shí)間則達(dá)到阿秒（10-18s）量級。電子通常是響應(yīng)外界變化和原子間相互作用的第一步，決定著整個(gè)微觀過程的演化方向，基于超快激光的探測技術(shù)能準(zhǔn)確地捕捉其中的瞬態(tài)過程，為研究核外電子物理性質(zhì)提供重要信息。超快激光兼具超快時(shí)域特性和超高峰值功率特性，在創(chuàng)造極端物理?xiàng)l件方面發(fā)揮著不可替代的作用。此外，利用超強(qiáng)超快激光可在實(shí)驗(yàn)室中研究激光粒子加速、光核物理、伽馬光－光對撞等微觀尺度的前沿物理問題。因此，超快激光是基礎(chǔ)研究最重要的工具之一。

在宏觀尺寸研究中，遙遠(yuǎn)星系中極端天文事件觀測、系外類地行星搜索等研究依賴大科學(xué)探測裝置，為實(shí)現(xiàn)協(xié)同觀測，大型觀測裝置對定時(shí)抖動的要求極為苛刻，傳統(tǒng)射頻時(shí)鐘定時(shí)精度難以滿足其需要，而超快激光產(chǎn)生的微波信號具有極低的時(shí)間抖動，是大裝置模塊間實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)控制的關(guān)鍵技術(shù)。此外，場演化方程的相似性使得超快激光能模擬自然界中跨尺度復(fù)雜物理現(xiàn)象的演化過程，如天文學(xué)中黑洞和白洞視界、海洋流體力學(xué)中湍流和怪波現(xiàn)象、多體體系中玻色－愛因斯坦凝聚等，為揭示其物理本質(zhì)提供了新思路。

二、超快激光與生命健康

超快激光催生了眾多新技術(shù)，如激光熒光顯微分析、激光光譜分析、激光手術(shù)等，促進(jìn)了高端醫(yī)療裝備的快速發(fā)展。在生物成像領(lǐng)域，基于超快激光的雙光子激發(fā)顯微成像技術(shù)是觀測生物微觀結(jié)構(gòu)與功能的重要工具。近紅外超快激光輻射作用較弱，不易引起生物組織內(nèi)水分子共振，且穿透生物組織能力較強(qiáng)，因此，紅外超快激光與雙光子激發(fā)相結(jié)合能極大程度地推動生物光子學(xué)基礎(chǔ)研究，特別是在腦科學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)是觀察和剖析大腦神經(jīng)活動中復(fù)雜機(jī)制的關(guān)鍵手段。對神經(jīng)細(xì)胞膜電位變化進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，有助于理解和掌握大腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)回路活動機(jī)理和信息處理機(jī)制。

在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，相比于傳統(tǒng)準(zhǔn)分子激光技術(shù)，利用基于超快激光的視力矯正技術(shù)，醫(yī)生可以在組織中準(zhǔn)確定位需要創(chuàng)造的微切口，增加激光視力矯手術(shù)精度；同時(shí)，因其只需較低的脈沖能量，對周圍組織產(chǎn)生的熱損傷效應(yīng)也較弱，因此應(yīng)用于視力矯正具有更高的準(zhǔn)確度、更輕的疼痛感、更佳的術(shù)后視覺效果，已成為治療近視的主流方法。此外，超快激光是激光質(zhì)子刀、等離子體醫(yī)學(xué)等精準(zhǔn)醫(yī)療的核心技術(shù)。相比于傳統(tǒng)加速技術(shù)，飛秒激光加速質(zhì)子束具有尺寸小、脈沖短、亮度高、能譜寬等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)質(zhì)子放療裝置的小型化、低成本和低能耗。面對這一新發(fā)展機(jī)遇，廣東省引進(jìn)了科技部批準(zhǔn)的“激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范項(xiàng)目”成果，落戶廣州白云并將產(chǎn)業(yè)化，打造千億元級激光質(zhì)子放療新產(chǎn)業(yè)。

三、超快激光與高端制造

超快激光在加工過程中，熱能可以在前后脈沖之間產(chǎn)生疊加效應(yīng)，提高超快激光與材料的非線性作用，降低閾值，真正實(shí)現(xiàn)高速無熱損傷的“冷”精密加工，可將微納加工精度和速度提高1000倍以上。超快激光作為高端制造的核心技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于精密制造、航空航天、消費(fèi)電子、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。面對超快激光精密加工的巨大潛力，歐盟光子技術(shù)公私合作伙伴關(guān)系計(jì)劃（Photonics Public Private Partnership）在規(guī)劃下一代光子研發(fā)戰(zhàn)略路線中確立了大功率超快激光研發(fā)計(jì)劃（MODUS kW-fl exiburst Project），并獲歐盟第八研發(fā)框架計(jì)劃“地平線2020”的支持，旨在發(fā)展適合于新一代高端制造技術(shù)的超快激光器。此外，超快激光在透明材料內(nèi)的傳播過程中可產(chǎn)生非線性吸收、等離子體、燒蝕等現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)高力學(xué)、光學(xué)性能焊接，在透明材料焊接領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值?；诔旒す獾碾p光子聚合技術(shù)能實(shí)現(xiàn)精度達(dá)100nm的3D打印，在智能光學(xué)、生物傳感、仿生器件等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

四、超快激光產(chǎn)生技術(shù)

超快激光的應(yīng)用領(lǐng)域

超快激光產(chǎn)生技術(shù)可分為主動式與被動式鎖模兩大類。主動式鎖模指的是通過由外部向激光器提供調(diào)制信號的途徑來周期性地改變激光器的增益或損耗，從而產(chǎn)生超窄脈沖；而被動式鎖模則是利用材料的非線性吸收或相變的特性來產(chǎn)生超窄脈沖。在主動式鎖模超快激光產(chǎn)生技術(shù)中，需要引入聲光或電光調(diào)制器等這類主動器件來對諧振腔內(nèi)的激光振蕩進(jìn)行周期性損耗調(diào)制，使各縱模以一定的相位和幅度相互耦合，從而形成超快脈沖輸出。該類超快激光的產(chǎn)生可通過射頻調(diào)控實(shí)現(xiàn)激光器狀態(tài)的靈活切換，但主動器件的引入也使得整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，且對環(huán)境抖動較為敏感。

被動式鎖模超快激光產(chǎn)生技術(shù)則利用具有可飽和吸收特性的無源器件，對激光腔內(nèi)的激光進(jìn)行調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)超快激光輸出?？娠柡臀仗匦灾钙湮栈驌p耗隨入射光強(qiáng)變化而變化，光強(qiáng)越強(qiáng)光損耗越小，光強(qiáng)越低則損耗越大，從而實(shí)現(xiàn)對激光腔內(nèi)輸出狀態(tài)的選擇性調(diào)控，達(dá)到輸出超快激光的目的?？娠柡臀阵w又分為自然可飽和吸收體以及等效可飽和吸收體兩種。其中，常見的自然可飽和吸收體有半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)、碳納米管、石墨烯以及一些新型二維材料等。等效可飽和吸收體通常由多個(gè)光學(xué)器件、效應(yīng)共同實(shí)現(xiàn)可飽和吸收效應(yīng)，包括非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）、非線性光學(xué)環(huán)形鏡（NOLM）、非線性放大環(huán)形鏡（NALM）、非線性多模干涉、Ma myshev再生器等。

對超快激光理論的深入研究是提升超快激光性能的基礎(chǔ)。Ippen等人利用具有可飽和吸收特性的染料首次基于被動鎖模脈沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)染料脈沖激光輸出。Haus教授針對瞬態(tài)被動鎖模過程復(fù)雜的問題，提出了基于快可飽和吸收體的被動鎖模技術(shù)的時(shí)域解析理論，并逐步發(fā)展了金茲堡－朗道被動鎖模激光器主方程（也稱為Haus主方程，HME），奠定了超快激光的理論框架。HME理論框架中包含了增益、損耗、色散、非線性等效應(yīng)，描述了光束在前述效應(yīng)相互作用下的傳輸過程。因此，增益、損耗、色散、非線性等參數(shù)空間與鎖模激光器的輸出脈沖狀態(tài)可通過HME建立聯(lián)系。HME在描述不同參數(shù)空間下鎖模激光器中的孤子形態(tài)方面獲得了巨大成功，成功揭示了鎖模激光器中形成傳統(tǒng)孤子、暗孤子、耗散孤子、自相似孤子、增益引導(dǎo)孤子等脈沖形態(tài)的機(jī)制。但是，HME理論框架并不適用于所有參數(shù)空間，例如，當(dāng)增益介質(zhì)的壽命不滿足遠(yuǎn)大于可飽和吸收體的弛豫時(shí)間時(shí)，HME對鎖模激光器輸出狀態(tài)的描述將會失效。因此，物理學(xué)家長期致力于拓展鎖模激光器主方程的適用范圍，直至2020年，Perego等人發(fā)展了相干主方程（CME），囊括了快增益弛豫的物理過程。

超快激光產(chǎn)生過程

目前，全球超快激光技術(shù)由少數(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)掌握，主要集中在美國、德國、法國、英國等發(fā)達(dá)國家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國超快激光器整體進(jìn)口率超80%，核心超快激光元器件依賴進(jìn)口。近年來，發(fā)達(dá)國家對我國的高新技術(shù)封鎖尤為明顯，并有愈演愈烈之勢。因此，開展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)超快激光技術(shù)研究迫在眉睫，這直接關(guān)系到我國高端裝備、新一代信息技術(shù)、生物醫(yī)藥等重點(diǎn)戰(zhàn)略領(lǐng)域的發(fā)展。中國科學(xué)院物理研究所、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、華南師范大學(xué)、華南理工大學(xué)等單位正大力開展超快激光技術(shù)攻關(guān)；同時(shí)，大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司、武漢華日精密激光股份有限公司、英諾激光科技股份有限公司、東莞市杰普特光電技術(shù)有限公司等國內(nèi)激光企業(yè)也在大力推進(jìn)超快激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

五、超快激光的未來發(fā)展

（一）學(xué)科建設(shè)

展望未來，超快激光可與物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、材料、能源、電子、信息、制造、航空航天等多學(xué)科交叉，激發(fā)科技創(chuàng)新活力，有望孕育新的科技革命。目前，超快激光技術(shù)正朝著“更高脈沖能量、更高平均功率、更窄脈沖寬度”目標(biāo)發(fā)展，亟需基礎(chǔ)理論、發(fā)光材料、光電子器件、工程技術(shù)等多維度創(chuàng)新。圍繞超快激光技術(shù)和前沿共性問題進(jìn)行學(xué)科布局和建設(shè)，促進(jìn)多學(xué)科良性發(fā)展，加快超快激光在強(qiáng)光物理、飛秒化學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)療、精密制造、激光武器等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展。

（二）人才培養(yǎng)

超快激光技術(shù)是典型的多學(xué)科交叉前沿技術(shù)，其上游包含量子及凝聚態(tài)物理、光電子材料及器件、數(shù)學(xué)及控制科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，下游輻射眾多應(yīng)用領(lǐng)域，如分析測量、精密制造、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)等，相關(guān)從業(yè)人員需要兼具扎實(shí)的基礎(chǔ)知識和前沿的技術(shù)視野。超快激光技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷推廣，將為更多年輕人提供職業(yè)發(fā)展機(jī)會，吸引越來越多優(yōu)秀人才投身超快激光技術(shù)的基礎(chǔ)研究及工程應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計(jì)未來十年帶來的新增就業(yè)崗位達(dá)百萬量級。以超快激光技術(shù)為核心，推動基礎(chǔ)科研和應(yīng)用技術(shù)人才培養(yǎng)，人才紅利將惠及眾多領(lǐng)域，為國家產(chǎn)業(yè)升級和科技驅(qū)動創(chuàng)新提供人才保障。

（三）產(chǎn)業(yè)建設(shè)

立足超快激光技術(shù)本身，推動前端材料、光學(xué)、電子、機(jī)械等上游行業(yè)的發(fā)展，利用超快激光的時(shí)空頻測量能力和特殊的光與物質(zhì)相互作用機(jī)制，發(fā)展超快測量、精密制造、精準(zhǔn)醫(yī)療、飛秒化工、激光顯示等下游產(chǎn)業(yè)，預(yù)期帶動產(chǎn)值近萬億元。同時(shí)，超快激光結(jié)合光信息和光分析技術(shù)，推動生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品安全等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，反哺基礎(chǔ)研究并孕育新型革命性技術(shù)。此外，超快激光的高能量密度優(yōu)勢有望為高功率脈沖激光武器，甚至核聚變點(diǎn)火裝置的發(fā)展提供有力支撐，將成為關(guān)乎國家未來重大科技突破的戰(zhàn)略技術(shù)。