[光学原理与应用-597]：连续、纳秒、皮秒、飞秒激光 —— 脉冲含义通俗详解

连续、纳秒、皮秒、飞秒激光 —— 脉冲含义通俗详解核心脉冲就是激光不是持续发光而是一阵一阵、间歇性输出光每一次发光就是一个光脉冲。CW 连续激光没有 “一阵一阵”持续稳定输出。纳秒10^9皮秒10^12飞秒10^151、CW 连续激光Continuous‑Wave激光器持续不断输出激光输出强度不随时间断开。发光状态一直亮不间断。时间尺度发光持续毫秒、秒、小时级别。光强平均功率稳定瞬时峰值功率 平均功率。物理特点电场持续振荡光强不高很难激发非线性效应。例子普通红光笔、很多工业连续光纤激光器。没有脉冲光束是连续流淌的光。2、脉冲激光通用概念脉冲激光激光只在极短一小段时间释放能量之后熄灭等待下一次发光。关键两个参数脉冲宽度脉宽每一次发光持续多长时间。重复频率一秒钟发射多少个脉冲。同样一份能量如果压缩到越短的时间内释放瞬时峰值功率就会爆炸式变大。同样1mJ 能量单位时间释放的光子的数量1ms 释放峰值 1W1ns 释放峰值 1 MW1ps 释放峰值 1 GW100fs 释放峰值 10 TW。脉冲越短峰值光强越高越容易触发非线性光学效应倍频、双光子吸收。3、纳秒脉冲 ns \(10^{-9}\ \text{s}\)十亿分之一秒脉宽几纳秒几百纳秒。一次发光持续十亿分之几秒。物理过程作用时间长激光能量大量转化为材料热效应。材料被加热、熔化、汽化。热传导有充足时间扩散到周边材料。典型应用激光打标、切割、普通固体紫外激光器、普通的 Q 开关激光器。特点热效应明显会产生热透镜、热损伤。4、皮秒脉冲 ps\(10^{-12}\ \text{s}\)万亿分之一秒1ps 1000 fs1000 ps 1 ns。 脉宽几皮秒几百皮秒。发光时间极短材料还来不及把热量传导扩散出去脉冲就已经结束。热影响区大幅缩小属于 “冷加工” 的开端。峰值光强很高极易激发非线性效应广泛用于 BBO/LBO 晶体产生紫外倍频。应用精密微加工、晶圆打孔、科研非线性光学。5、飞秒脉冲 fs\(10^{-15}\ \text{s}\)千万亿分之一秒1000 fs 1 ps。 脉宽几十 fs ~ 几百 fs。脉冲时间短到晶格原子几乎还没有发生热运动光脉冲已经结束。几乎无热传导真正意义上的冷加工直接把材料电离剥离。峰值光强极高非常容易激发各类非线性效应SHG 倍频、双光子吸收、光丝、自聚焦。时域脉冲越短根据傅里叶变换光谱带宽就越宽高频分量越多。飞秒激光天然是宽光谱光源。应用超快科研、双光子成像、精密冷加工、超快光谱。直观时间对比表格激光类型脉冲宽度核心特征CW 连续无脉冲持续发光峰值功率 平均功率难激发非线性纳秒 ns\(10^{-9}\text{s}\)热效应主导熔化汽化材料皮秒 ps\(10^{-12}\text{s}\)热效应抑制高峰值适合倍频飞秒 fs\(10^{-15}\text{s}\)几乎无热峰值极高光谱带宽大关键工程启示结合我们前面的非线性晶体想要实现倍频 SHG需要高的瞬时光强不是单纯的平均功率。同样平均功率飞秒 皮秒 纳秒 CW。脉冲越短峰值越高倍频转换效率越高。CW 连续激光也可以倍频但需要极高平均功率脉冲激光器更容易实现紫外输出。脉冲太短飞秒会带来新问题脉冲有时间宽度不同频率光在晶体中传播速度不一样产生群速度色散脉冲展宽会影响倍频效率。通俗比喻把激光的能量比作一桶水CW 连续把水桶打开水慢慢持续流淌出来。纳秒脉冲快速泼出一大瓢水时间很短但热量水花会向四周扩散。皮秒脉冲瞬间泼出还来不及向四周飞溅扩散动作就结束。