飞秒激光时空域特性操控对激光材料处理空间选择分辨率的调控研究

飞秒激光的出现为开展在极端条件下的光与物质相互作用及光学非线性特性研究提供了高的空间分辨率和高的时间分辨率以及极高强度的光源，在该条件下光与物质相互作用呈现出强烈的时空依赖特性。先进的光束时空操控技术一直是激光材料处理领域的研究热点，有别于传统的光束整形方法，本项目将突出在时间域上对超短脉冲进行操控，研究飞秒激光的时空域聚焦特性。通过对飞秒激光脉冲进行时空整形，获得一种新型的具有动态演化脉冲时空特性的激光脉冲，实现对激光材料处理作用域的三维形貌和加工分辨率的精确操控，并获取具有三维各向同性的加工分辨率和空间选择特性分辨率增强。

本项目对时空聚焦飞秒光束的脉冲时空特性进行了系统的理论和实验研究，并展示了其在飞秒激光材料加工中的应用。按照要求圆满完成任务，取得的具体研究成果如下：.首先从实验上观测带有空间啁啾的光束聚焦后的双光子激发情况，并揭示焦点处会形成一个反常的倾斜峰值光强分布。理论计算表明，峰值光强倾斜分布起源于：在物镜的光轴上，时空聚焦脉冲精确地在焦平面处达到最短；但是在光轴之外沿着脉冲的空间啁啾方向，脉冲将会在焦平面之前或之后到达最短，这取决于空间啁啾的符号。时空聚焦焦区峰值光强的倾斜分布在飞秒激光微纳加工和生物成像中扮演重要角色。.其次，从实验上测量了时空聚焦飞秒光束在空气和透明材料中的脉冲前沿倾斜。这一测量是通过时空聚焦脉冲和传统聚焦脉冲的干涉条纹来实现的：即通过调节两束光的延时，观测到的脉冲干涉条纹会发生移动，然后通过条纹图案反演出脉冲前沿获得。这一实验测量结果与理论计算结果符合较好。.最后，我们对飞秒激光加工玻璃材料及其在微流控芯片中的应用作了一个全面的综述，包括三维微流纳流集成、光流控、电流控、表面增强拉曼散射器件、微流控生物分析和光纤实验室传感器件等。描述了飞秒激光处理（特别是飞秒激光直写）的基本概念和独特优点，讨论了先进的光束时空整形技术，对一些典型基于飞秒激光加工的微流控芯片制造技术以其在生化传感中的应用也作出了评述，最后对这一技术做出了总结和展望。