飞秒激光器的发明让很多人为之惊叹，它发出的激光脉冲时间实在是太短了。目前人类还没有制造出其他的能量载体能在这个时间维度内完成打开、关闭。快到什么程度呢？先说说“飞秒”是多久。人类平均的眨眼时间约0.25秒。比眨眼时间还短的事情很难看清了，比如闪电、爆炸、瞬间的显色反应。如果有高速摄影机能一个飞秒一帧的速度拍摄，再观看眨眼错过的影像, 即便一秒钟播放1帧，看完也要用几百万年。即便是100飞秒的脉冲激光，一个脉冲时间内，光也只能飞行30微米，比头发直径短多了。

上世纪60年代激光器研制成功后，人们就没有停止过对激光器的研究和改造。其中主要的方向之一就是制造更短脉冲的激光，大家都清楚，能把能量压缩到很小的时间内迸发，意味着超级强的峰值功率和惊人的能量密度。虽然，1974 年，E.P.Ippen 等人已经通过染料激光器获得了飞秒激光脉冲，但实用价值太小，直到1991年，D. E. Spence 等人利用自锁模技术，以掺钛蓝宝石为增益介质，获得了60飞秒的激光脉冲，从此之后飞秒激光器实用化的发展上了高速路，*许多科学家和技术人员为之前赴后继展开了大量的研究工作。超短的脉冲激光所带来的神奇特性，究竟能有什么用值得费力折腾？

天下武功唯快不破，至少有以下这些特点是其他能量载体目前不能做的。首先，超级短的脉冲时间，上面已经说过飞秒是很短的时间单位，目前人类已经能制造几个飞秒甚至小于一个飞秒的激光脉冲。第二，脉冲峰值强度（功率）*（可达到太瓦：10¹²W）如果你喜欢可以用百万亿瓦来描述，这个功率早已超过地球上所有发电厂功率总和上百倍、聚焦强度（功率密度）超过10²⁰W·cm^－２并且可以聚焦到很小的区域。这个瞬间的光强极大，即便是用直径地球这样大的凸透镜聚焦太阳光也超不过的光强。除此之外，它可以很高的重复频率，商用激光剥蚀系统典型的为10KHz也就是一秒钟万次以上这样的脉冲，甚至科学研究中用到MHz级别重复频率的飞秒激光。这可以说是第二个“快”，对比通常的纳秒激光剥蚀系统的数十Hz。

超短脉冲激光应用非常多，是用于光子与物质的作用的强大工具，已经非常成熟的用于材料的加工和许多科学研究，其中一个原因是因为它的非热剥蚀特性，加工出的表面可以非常精密平整。还用于角膜手术等的各类医学用途。此外，它的超短脉冲时间使得我们有机会用实验来探索许多未触及的领域。不过我们还是先说说好理解的应用---激光剥蚀。

所谓“激光剥蚀”，就是利用脉冲激光的能量，把固体或液体等样品直接等离子化然后形成微小的颗粒，以气溶胶形式送入检测仪器进行分析（通常为质谱ICP-MS或者MC-ICP-MS等）。

传统的激光剥蚀使用的是纳秒脉冲激光。自从激光剥蚀技术与质谱“联姻”，便被普遍用于各种材料的研究研究，一下子可以做很多之前无法做到的事。可以简便的做微区分析，还可以做样品一个区域的元素分布图，脉冲激光能做的事情太多了。但激光剥蚀技术也始终伴随着不完美---分馏效应。简单讲，就是样品中的组分被选择性的送到质谱仪中。定量检测样品中的某种元素或同位素比，我们希望它“忠实”地从目标区域“挖”出一块样品，打碎成均匀的、足够微小的颗粒送入质谱仪，但实际情况不是这样。（激光剥蚀的）分馏效应（请不要与“同位素分馏效应”混淆）的原因很多，但目前普遍认为，热效应剥蚀是导致不同沸点的组分产生分馏效应的主要因素。

在激光剥蚀应用领域，典型的地质领域为例，激光剥蚀逐渐向两个方向发展：1.短波长激光、大能量密度（固体激光器213nm、准分子激光器157nm193nm）；2.超短脉冲（飞秒激光）。

纳秒激光有种“调食”的脾气，对于电介质和透明材料（如常见电介质矿物：自然硫， 闪锌矿，石英，白云母，滑石，蛭石等。透明矿物：金刚石， 透长石，冰洲石等），它们对低强度的纳秒激光能量吸收很差。因为纳秒激光场强较低，激光损伤以雪崩电离为主，该过程取决于作为前提存在的种子电子（这些种子电子通常含量很低且随机分布在样品中），所以电介质和透明材料的剥蚀阀值很难确定，剥蚀具有随机性。纳秒激光需要向深紫外发展，准分子激光的超短波长具有比较高的光子能量和短的穿透深度，可以获得不错的剥蚀能力，广泛使用的一种准分子激光剥蚀系统采用的是ArF准分子激光器193nm激光。在地质研究领域被大量应用。然而短波长并不能解决热剥蚀的问题，分馏效应仍是个问题。

飞秒激光的脉冲快到小于晶格间能量传递的时间，而且飞秒激光场强*，多光子激发为主，这样理论上可以在晶格间发生热传递前实现剥蚀。能量高于剥蚀阀值即可剥蚀，所以飞秒激光对电介质和透明材料的剥蚀更具确定性。通俗的讲，飞秒激光与使用更多的纳秒激光剥蚀相比较，不怎么“挑食”这可省心多了。

早在飞秒激光投入应用之初很多学者就开始对比各种脉宽下激光于材料作用的结果。早在1996年，B.N.Chichkov 等人对飞秒、皮秒和纳秒激光进行了研究,分别使用780nm 脉宽200fs激光、80ps以及3.3ns对钢材进行剥蚀，从扫描电镜图片可以直观的看出，80皮秒的脉冲激光与更长脉冲宽度的纳秒激光都会造成明显的样品熔融痕迹。

通过观察剥蚀出的颗粒物和剥蚀坑的形貌特征也证明了飞秒激光剥蚀几乎没有热效应，减少了热效应引起的元素分馏效应。

剥蚀颗粒的大小，以及均匀性也是产生分馏效应的重要原因。过大和不均匀的气溶胶颗粒，可能在传输过程产生差异，并且在后面的ICP中等离子化的过程中会再次产生分馏效应。

近年的一些研究也的确验证了飞秒激光剥蚀系统具有出色的性能。Frank Vanhaecke等用193nm激光剥蚀和795nm飞秒激光剥蚀系统对比了检测铅基样品靶中铂族金属元素的应用，结果表明即便是较长波长的飞秒激光，所获得的的结果仍然明显优于193纳米准分子激光剥蚀（J. Anal. At. Spectrom., 2010, 25, 1259）。

Russo的团队对比了不同激光波长的纳秒激光、飞秒激光剥蚀进样方式并与液体进样方式对比。使用266nm和213nm固体激光器系统以及193准分子激光和飞秒激光分别与ICP-MS结合对两种标准铜锌合金进行分析并与消解后液体进样的检测结果对比（见下图）

结果表明，使用脉冲能量仅百微焦级别的飞秒激光的检测结果与液体进样结果接近。

气溶胶颗粒的SEM照片可以揭示纳秒激光与飞秒激光剥蚀作用的不同，飞秒激光剥蚀出的颗粒更小且均匀。

从这些研究中我们发现，对于激光剥蚀应用并不需要很大的激光的能量，百微焦级别就足够了，脉冲宽度也并不需要非常，几百飞秒就*可以实现非热剥蚀。

因此，近年来主流的商业激光剥蚀系统基本放弃了激光性能虽好，但价格昂贵而且使用和维护难度很大的钛蓝宝石飞秒激光器（Ti:Sapphire），更多选择了镱二极管泵浦激光器，可以在比较宽的环境温度范围里使用。终于，科学家们不必再为娇贵（又娇气又昂贵）的飞秒激光器发愁。科学家们终于可以真正使用上飞秒激光这把锋利无比却轻如鸿毛的神奇宝剑。

后，必须向一位激光技术领域声名显赫的科学家致敬，美国劳伦斯-伯克利国家实验室Russo博士，他也是美国应用光谱公司Applied Spectro的创始人，早在21世纪初就将飞秒激光引入激光剥蚀等应用的科学家。Russo及他的团队在为飞秒激光应用于激光剥蚀和LIBS应用做了极大贡献。

　参考文献：

1.杨文武 第３７卷，第７期 光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．７，ｐｐ２１９２

2.Ｈｅｒｇｅｎｒｏｄｅｒ　Ｒ，Ｓａｍｅｋ　Ｏ，Ｈｏｍｍｅｓ　Ｖ．Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ　Ｒｅｖｉｅｗｓ，２００６，２５（４）：５５１．

3.Chichkov B N, Momma C,Notlte S,et al.Femtosccond,picosecond and nanosecond laser ablation of solids  J.Appl.Phyys.A, 1996,63:109-115

4. Frank Vanhaecke J. Anal. At. Spectrom., 2010, 25, 1259–1267