万年怀胎一瞬间
自从人类诞生以来，自古以来就与最基本的时间概念联系在一起。在古代，人类和现在的动物一样，随着一年四季气候的变化而迁徙或穴居，其时间概念是“年”。
人类学会耕作进入农业时代后，日出而作，日落而息，对时间的认识已经达到了天的概念。几千年前，人类开始制造测量时间的仪器。日晷、沙漏和时钟的发明使时间的概念变得精确。
16世纪以来，哥白尼领导的天体运动研究热潮和18世纪的第一次技术革命，促使人类科学地、定量地描述周围宏观世界的运动。时间是最基本的物理量之一。最有代表性的例子就是牛顿第二定律给出的简洁、精彩、几乎无处不在的公式：F=Ma，其中加速度A是以秒为单位的速度增量，速度是以秒为单位的物体。对于宏和低速运动的描述，秒的时间精度就足够了。
玻尔和爱因斯坦开创的原子物理和光量子物理的科学描述，使人类进入了原子和分子内部的微观世界。描述这些微观世界快速运动的时间精度需要毫秒(10-3秒)、微秒(10-6秒)、纳秒(10-9秒)、皮秒(10-12秒)和飞秒(飞秒)
单靠电子技术无法产生飞秒脉冲。20世纪60年代诞生的激光技术为产生皮秒和飞秒光脉冲提供了新的技术手段。利用激光的锁模技术，20世纪70年代首次运转了皮秒脉冲激光器，1981年又运转了飞秒脉冲激光器。至此，人类进入了一个全新的飞秒时代。
用飞秒开启新篇章
飞秒激光技术的发展可以分为几个阶段。
从1981年到1990年，以染料激光为代表的第一代飞秒激光技术，为物理、化学等基础学科中原子和分子的快速运动提供了全新的探测手段，推动了超快现象的发展，从而开辟了超快激光技术的新时代。
从1991年到2005年，以掺钛蓝宝石激光器为代表的第二代飞秒激光技术，用固体增益介质代替了液体染料增益介质，大大提高了飞秒激光运行的稳定性，同时提高了峰值功率，使飞秒激光技术不仅具有超快时间特性，而且具有超强功率特性，使飞秒激光在超快现象的研究领域得到了更多的应用。而且已经成为激光控制核聚变快速点火、新一代加速器、精密微纳加工等大科学工程和前沿技术的重要支撑技术。从而开创了飞秒激光技术应用的新时代；在此期间，掺镱光纤和盘式飞秒激光器逐渐成熟，并走向工业应用。
2005年，以光子晶体光纤激光器为代表的第三代飞秒激光技术，在增益介质中引入微纳结构，取代原来的块状固体或普通光纤，使飞秒激光的主要物理机制可控、可调、可设计，集多种功能于一体，使其具有高效率、高功率(平均)、高光束质量、结构简单、运行稳定等特点，从而使飞秒激光技术走向系统集成和应用。
无尽的魅力
飞秒激光的三大特性吸引了众多研究者对其进行研究，魅力无穷。
首先，脉冲宽度非常短
飞秒激光脉冲的持续时间为10^-15秒，即飞秒(fs)，相当于电子绕原子核一周的时间。以30万km/s的光速计算，光在1 fs的时间内只走了0.3 m，可见飞秒的时间非常少。这样极小的时间，在我们看到的宏观世界里是找不到的。
而在由基本粒子组成的微观世界中，它们运动状态的变化往往像飞秒一样发生在极短的时间内，比如分子的能量转移、化学键的断裂和形成、原子的横向和纵向弛豫、半导体中载流子的激发和复合等等。
正因如此，在飞秒激光诞生后的很长一段时间内，飞秒激光主要作为一种先进技术用于研究物理、化学和生物领域的超快现象，以至于在物理、化学和生物领域研究了大量的超快过程，发现了大量新的超快现象，解释了大量的原子和分子的微观运动规律，成为一个在许多基础学科引起相当大的关注并取得众多成果的研究方向。
第二，脉冲峰值功率极高。
飞秒激光的峰值功率是指脉冲持续时间内的瞬时功率，即E/，E是飞秒脉冲包络中携带的能量，是飞秒脉冲包络最大值的一半所对应的时间宽度。因为是10^-15 s的一个非常短的量级，即使它携带的能量是毫焦耳(10^-3 J)，它的峰值功率也高达10^12 W(TW)，相当于全世界总发电量的总和。目前，飞秒激光放大系统可以输出高达10^15瓦(PW)峰值功率的光脉冲。
如此超强峰值功率的飞秒激光脉冲聚焦后，其焦区的电场强度已经远远超过了原子核对其价电子的库仑力。在它的作用下，任何固体、液体和气体物质都会瞬间变成等离子体。
由此发展起来的超快超强激光物理正在强场物理领域形成一个新的分支，并已应用于激光控制核聚变、同步辐射等大型科学项目。新兴的飞秒激光微纳精细加工技术也利用了飞秒激光的超高峰值功率的特性。在晶格热传导过程能够发生之前，飞秒激光就已经完成了在微纳米尺度上去除或改性材料的物理过程。
第三，它覆盖的光谱范围非常广。
目前飞秒激光器直接输出的波长主要集中在0.8~1.5 m的近红外波段，但其激发的飞秒激光脉冲覆盖了这一波段。
了从X射线到太赫兹波这一广阔领域，利用超强飞秒激光和电子束相互作用的汤姆逊散射效应，可以产生相干的硬X射线，波长达0.4埃。飞秒强激光与惰性气体原子的相互作用而引发的高次谐波，可获得软X波段的相干辐射，波长可覆盖数十纳米至几纳米。飞秒激光在晶体中的二倍频、四倍频、六倍频效应可将近红外的飞秒激光变换至可见、紫外、极紫外和真空紫外，直至150 nm，与高次谐波的软 X波段相接。利用飞秒激光在晶体中的参量振荡和参量放大过程，可以在近红外，甚至中红外波段实现宽频谱范围的调谐。
除此之外，利用飞秒激光在非线性介质中的传输，可以发生自相位调制，四波混频，孤子自频移和超连续等多种非线性效应，这些效应都可以使飞秒激光器输出的光脉冲从单一波长变换到紫外至红外波段。特别值得提出的是，太赫兹波这一在大分子领域极具应用价值的亚毫米波长的辐射，在人类征服了X射线－紫外－可见－红外－无线电波的漫长时间之后，终于在20世纪80年代，借助飞秒激光技术，实现了10 μm ~ 3 mm波段的相干辐射。
潜龙翔九天
“工欲善其事，必先利其器”飞秒激光出现以来，科学家们欢欣鼓舞，他们拥有了最精准的“鲁班尺”、最锋利的“巨阙剑”。利用这把精尺、这把利剑，他们穷极物理、发现未知。几个与飞秒激光研究成果相关的诺贝尔物理奖、化学奖是对飞秒激光技术对科学技术贡献最好的诠释。
经过近三十多年的发展，飞秒激光除了作为科学研究的利器，还在产业应用领域发现了广阔的天空。飞秒激光的非热、冷加工属性开始为人们所钟爱，适用于一些其他加工方法无法实现的高精度、复杂形状元器件的加工。对于超硬材料、易碎材料、高熔点材料、易爆材料的加工，更具有其他加工方法所无法企及的优势。目前，飞秒激光微加工已经在消费电子、生物医疗、航空航天、信息技术、新能源、新材料等产业得到广泛应用并将继续开疆拓土。
目前国内做飞秒激光技术相关产品的公司主要有安扬激光、铟尼镭斯、武汉华日激光、国神光电科技、物科光电等，国外公司则有Femtolasers（奥地利）、Toptica（美国）等。更多品牌也可在光电汇平台（www.oeshow.cn）查阅。
总之一句话，观古今于须臾，抚四海于一瞬，飞秒激光技术时代已然开启。
鸣谢：感谢赵全忠研究员对本文的专业指导。
部分内容转载自：“天大光学中心”微信公众号
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