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超短脈沖激光器已經在一些需要極高精度的商業應用中發揮作用。IBM公司利用飛秒光器消除光刻掩模中大小僅為10nm的缺陷，以制作最先進的集成電路。在準分子激光原位角膜磨鑲術（LASIK）中，IntraLase公司開發的飛秒激光系統，能夠比傳統刀片更為精確地切割角膜皮瓣。這些都是飛秒激光應用的先驅。新一代飛秒激光的應用包括：在硅中寫三維波導、加工微流裝置，以及在活體細胞內無需在細胞膜上刺孔就可以進行手術。

    作用于材料的超快效應

       用強脈沖照射材料能夠激發非線性吸收過程，從而改變材料的形態或鍵結構——引起局部膨脹、收縮，或改變材料內部的折射率，以及燒蝕材料表面。中佛羅里達大學（University ofCentral Florida）的DavidRichardson稱：“我們確實是利用材料科學研究材料表面。”理解這些結構變化，將有望開辟新的應用領域。

       對于表面燒蝕而言，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，會將熔化的材料噴濺到燒蝕區周圍，并且將周圍區域加熱以至產生損傷。飛秒脈沖能夠將更高的峰值功率會聚到更小的區域，產生波長不敏感的非線性效應，從而對材料進行燒蝕，并且幾乎對周圍的區域不會產生熱損傷——這對掩模修復等高精度加工至關重要。

       超短脈沖在打孔方面的應用也頗具吸引力，因為它可以實現高厚徑比的小孔。去年五月的國際激光器和光電子學會議（CLEO#p#分頁標題#e#）上，德國 FriedrichSchiller大學的研究小組報道了光纖放大激光器輸出的800fs脈沖，能夠在脈沖重復率接近1MHz的情況下，在幾微秒的時間內在1mm厚的不銹鋼上打孔。高重復率能夠確保殘余的脈沖能量不會在脈沖間隙耗散到靶區以外，從而減小打孔所需的脈沖數。

       用超短脈沖在透明固體中制作三維結構具有廣闊前景。通過高數值孔徑透鏡對光束聚焦，能夠使表面處的光強低于損傷閾值，但材料內部焦點處會聚的光強足以使材料結構發生變化。

       如果使用數值孔徑為0.65的透鏡將40～150nJ的脈沖聚焦，可以產生閾值最低的非線性效應，它會使材料的折射率變大。盡管研究人員對該過程的細節還并不完全清楚，但通常認為，非線性吸收會將焦點處在短時間內加熱到熔點以上，此后玻璃迅速固化為具有更高折射率的致密態。玻璃的兩種特別性質對該效應起到貢獻——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移動焦點，可以寫高折射率波導。Schaffer表示，重復率越高效果越好，因為熔化以及冷卻動力學行為，能夠消除脈沖間的相對變化，從而獲得損耗更低、更為平滑的波導。

       在相同的聚焦條件下，150～500nJ更高功率的入射脈沖，將導致交替的玻璃層內折射率發生雙折射變化，從而獲得納米尺度光柵。脈沖會在電磁場的一個分量上消耗一個玻璃薄層，并且消耗的玻璃會轉移到相同分量的相鄰位置，在該過程中產生平面納米裂紋，排列方向取決于脈沖的偏振方向。加拿大國家研究委員會的研究人員通過實驗表明：利用偏振方向不同的光，能夠擦除并重寫納米裂紋。該技術在全息數據存儲方面具有應用價值。

       峰值功率更高的脈沖將使玻璃蒸發，導致材料從焦點處向外蒸發、并留下過密層包圍的空缺。空缺大小可以小于波長，并且一系列脈沖能夠在玻璃表面下產生諸如螺旋形等雜圖案。該效應可用于加工內部衍射透鏡或菲涅爾波帶片，它可以對通過玻璃的光束聚焦。密歇根大學超快光學中心的AlanHunt#p#分頁標題#e#稱，該效應還能用于在玻璃內制造微流通道。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構。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生的碎片。

       飛秒激光脈沖還可用于精密的外科手術，因為活體組織在較短距離內相對透明。目前該領域取得的最大成功是屈光手術中采用的準分子激光原位角膜磨鑲術（LASIK）。相比于其他屈光性角膜切削術（PRK），LASIK的優點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，是導致LASIK病人出現并發癥的主要原因。

       為了改進上皮切割，加州大學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，以對該技術進行商用推廣。該套激光系統造價昂貴，并且需要病人支付額外的費用，但Shaffer稱這套系統物有所值。他說：“采用該療法的并發癥發病率如此之低，以至于按照統計確定度恒量幾乎測不出來。”

       飛秒激光外科手術在生物醫學研究方面的應用尤為引人注目。Schaffer稱：“在生物方面，你做的很多事就是將一些東西破壞，然后看看究竟會發生什么。”飛秒脈沖能夠到達組織內部并將目標結構破壞，如單個神經細胞或亞細胞結構。

       加州大學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。目前神經學家認為，輕度中風是造成老年癡呆癥的主要原因。重度中風的后果非常可怕，因為它將損壞大片組織。然而輕度中風能以不同的方式影響較小的區域，因此受影響的細胞仍能獲得氧，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最早的生物模型，這是人們在開發對癥療法方面邁出的至關重要的一步。#p#分頁標題#e#

       在更為基礎性的研究中，飛秒脈沖還能破壞單個亞細胞結構。Hunt顯示了破壞具有定制生命周期的細胞內某一細胞器官，能夠延長細胞的壽命。他還用飛秒脈沖改變細胞分裂所涉及的力學結構，以研究這些結構起到的作用。

       前景展望

       誠然，飛秒脈沖在許多潛在應用中存在局限性。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。Hunt稱光刻能夠以更快的速度寫二維結構，但超短脈沖在三維加工方面更具優勢。但是目前光脈沖還不能到達不透明材料的深處。

       然而，飛秒脈沖在某些應用中具有顯著優點。這些應用涉及的范圍極廣，本文提到的只是很少的幾個方面。據Richardson稱，隨著超快光纖激光器的迅速發展，其潛在的應用領域將受益頗多。相比于統治飛秒激光領域多年的摻鈦藍寶石激光器而言，光纖激光器體積小，造價低，更加耐用并且性能穩定。制作新型結構的能力必將開辟更多的應用機會。目前，Richardson正使用飛秒激光器加工光學波導，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。