激光曾被視為神秘之光，并已被人類廣泛使用。飛秒也叫毫微微秒，簡稱fs，是標(biāo)衡時間長短的一種計(jì)量單位，飛秒激光是人類目前在實(shí)驗(yàn)室條件下所能獲得最短脈沖的技術(shù)手段。飛秒激光在瞬間發(fā)出的巨大功率比全世界發(fā)電總功率還大，已有所應(yīng)用，科學(xué)家預(yù)測飛秒激光將為下世紀(jì)新能源的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用。

飛秒激光有什么用途呢？眾所周知，物質(zhì)是由分子和原子組成的，但是它們不是靜止的，都在快速地運(yùn)動著，這是微觀物質(zhì)的一個非常重要的基本屬性。

飛秒激光的出現(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動過程�；�于這些科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。特別值得提出的是，由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變早期診斷、醫(yī)學(xué)成象和生物活體檢測、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。

在微加工領(lǐng)域，由于其對材料周圍影響極小，能安全的切割，打孔、雕刻，甚至應(yīng)用于集成電路的光刻工藝中。在國防領(lǐng)域，飛秒激光應(yīng)用在安全切割高爆炸藥，拆除廢舊退役的火箭，炮彈等。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，飛秒激光像一把精密的手術(shù)刀，用于治療近視，美容等方面。

在生物學(xué)領(lǐng)域，飛秒激光轟擊細(xì)胞 DNA，使其發(fā)生突變，用于研究基因變化的各種影響。在環(huán)境領(lǐng)域，飛秒激光 LIBS 技術(shù)測量大氣污染成分，檢測環(huán)境污染水平。在科研領(lǐng)域，飛秒激光更是無處不在。隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光能在更多領(lǐng)域獲得更多的應(yīng)用。 

物質(zhì)在高強(qiáng)度飛秒激光的作用下會出現(xiàn)非常奇特的現(xiàn)象：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的物質(zhì)瞬息間變成了等離子體。這種等離子體可以輻射出各種波長的射線的激光。高功率飛秒激光與電子束碰撞能夠產(chǎn)生硬X射線飛秒激光，產(chǎn)生β射線激光，產(chǎn)生正負(fù)電子對。

高功率飛秒激光在醫(yī)學(xué)、超精細(xì)微加工、高密度信息儲存和記錄方面都有著很好的發(fā)展前景。高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿，從而制造放電通道，實(shí)現(xiàn)人工引雷，避免飛機(jī)、火箭、發(fā)電廠因天然雷擊而造成的災(zāi)難性破壞。利用飛秒激光能夠非常有效地加速電子，使加速器的規(guī)模得到上千倍的壓縮。高功率飛秒激光與物質(zhì)相互作用，能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的中子，實(shí)現(xiàn)激光受控核聚變的快速點(diǎn)火。從而為人類實(shí)現(xiàn)新一代能源開辟一條嶄新的途徑。

根據(jù)激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理，激光加工可分為兩大類：激光熱加工和非熱加工。熱加工和非熱加工通常使用的激光類型是不同的，熱加工通常使用的是長脈沖激光或連續(xù)激光，非熱加工通常使用的是皮秒、飛秒等超短脈沖激光。

激光熱加工利用激光照射材料過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)，被照射材料的分子體系需要不斷地從照射激光獲取能量轉(zhuǎn)化為自身的內(nèi)能，被照射區(qū)域的溫度急劇升高，達(dá)到材料的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，發(fā)生融化、去除，達(dá)到加工目的。由于激光的能量轉(zhuǎn)化為分子體系的內(nèi)能需要的時間較長，因此熱加工常用長脈沖激光。這一加工方法簡單直接，已廣泛用于工業(yè)制造，如激光切割、激光增材制造等。但由于加工過程中存在不可避免的熱擴(kuò)散，限制了激光熱加工的精度和粗糙度。

非熱加工則是利用由材料電子體系擾動引起的非線性效應(yīng)（如非線性電離、表面散射等），通過電子吸收光子發(fā)生躍遷和電離，誘導(dǎo)材料的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致一些新穎效應(yīng)的產(chǎn)生（如雙光子聚合、激光自組裝等），利用這些新穎的效應(yīng)達(dá)到提高加工精度、優(yōu)化加工方法的目的。由于電子體系和激光的能量交換可以在瞬間完成，因此非熱加工常用超短脈沖激光。這種加工方法精度較高，加工手段多樣，是目前激光加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

超高的峰值功率和超短的脈沖持續(xù)時間是飛秒激光的兩個主要優(yōu)勢。超高的峰值功率使其足以誘導(dǎo)材料產(chǎn)生多種多樣的非線性效應(yīng)，豐富了激光加工的方法。而超快的時間特性也使得飛秒激光與材料相互作用的過程非常短暫，激光輻照區(qū)域吸收的光能量甚至來不及傳遞到其他區(qū)域，確保激光能量可以精準(zhǔn)地沉積在輻照范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超精細(xì)加工。

目前，飛秒激光已經(jīng)廣泛用于微納加工領(lǐng)域，主要有激光直寫和激光掩膜兩種方法。然而，由于加工系統(tǒng)存在衍射極限，使得激光輻照區(qū)域不可能無限制的縮小，限制了加工精度的進(jìn)一步提高。同時由于不同材料的非線性特征不同，使得飛秒激光加工對材料有著強(qiáng)烈的依賴性，同一加工方法對于不同材料往往表現(xiàn)出不同的加工效果。