什么是飞秒（fs）？

2026.01.08

飞秒（femtosecond，符号为 fs）是表示极短时间的单位，1飞秒等于10^-15秒，也就是一千万亿分之一秒。它常用于描述光、电子、分子和原子等微观世界中发生的超快现象。

本文将从飞秒的定义、时间尺度、飞秒脉冲与飞秒激光的特点，到测量方法和主要应用，对这一时间单位进行系统说明。

飞秒究竟有多短？

从与“秒”的换算理解飞秒尺度

1 fs = 0.000000000000001 s = 10^-15 s。若把1飞秒与1秒的比例放大来看，约相当于“1秒与3169万年”的比例。由此可见，飞秒远远超出了人类日常感知的范围。

与其他时间单位的换算

1皮秒（ps）= 1000飞秒（fs）
1飞秒（fs）= 1000阿秒（as）
1飞秒（fs）= 0.001皮秒（ps）

如何形象地理解飞秒？

光在1飞秒内前进约0.3 µm

真空中的光速约为每秒30万千米，但即便以如此高的速度，在1飞秒内也只能前进约0.3微米。这个距离大致相当于细菌尺寸的一小部分，或接近精细微加工所关注的尺度。

可见光的一个周期也属于飞秒量级

以波长约600 nm的可见光为例，一个振荡周期约为2 fs。也就是说，飞秒尺度正是观察光本身的振荡以及光与物质相互作用的重要时间范围。

飞秒尺度上会发生什么现象？

化学键的断裂与形成、分子振动、晶格振动、电子激发与弛豫等过程，许多都发生在数飞秒到数百飞秒之间。若观测设备的时间分辨率不够，这些过程只能呈现为反应前后的两个静态状态。

泵浦-探测光谱

超快测量中常用泵浦-探测法。第一束脉冲使样品进入激发态，第二束脉冲在可控延迟后读取样品状态。逐步改变延迟时间，即可像连续拍摄一样重建超快变化过程。

分子动力学计算中的时间步长

分子动力学模拟为了正确追踪原子和分子的运动，常采用约0.5～1 fs的时间步长，在部分条件下也会采用约2 fs。步长过大时，快速振动可能无法被正确计算。

什么是飞秒脉冲？

飞秒脉冲是持续时间达到飞秒量级的极短光脉冲。即使单个脉冲的能量并不大，由于能量集中在极短时间内，也可以产生很高的峰值功率。

平均功率由单脉冲能量与重复频率决定，而峰值功率则与脉冲宽度密切相关。脉冲越短，能量越集中，越容易产生非线性光学效应。

超短脉冲的产生

飞秒激光通常通过锁模技术，使激光腔内不同频率成分保持固定相位关系，从而形成周期性的超短脉冲。之后还可利用色散补偿和脉冲整形，对脉冲宽度、波形和频谱进行优化。

飞秒激光的特点

热影响小、适合高精度加工

飞秒激光在材料把能量扩散为热之前完成能量沉积，因此熔融、烧焦和热变形较少，更接近“非热加工”。这有助于缩小热影响区（HAZ），获得边缘整齐的微细结构。

可加工透明材料

在高峰值强度下，可通过多光子吸收等非线性过程，使原本对该波长透明的玻璃、蓝宝石等材料在焦点附近吸收能量。因此可以实现透明材料内部改质、微细孔加工和精密切割。

飞秒激光的主要用途

研究：超快光谱、化学反应、载流子和物性动力学观测。
工业：半导体、MEMS、精密切割、划片、微孔和表面微结构加工。
医疗与生物：眼科手术、精细组织处理、显微成像和生物样品分析。

不同波长飞秒激光的特点

红外（IR）

设备选择较多，适合利用非线性吸收进行内部加工，也常用于基础研究和工业微加工。

绿色可见光

聚焦光斑较小，对部分金属和半导体材料具有较好的吸收特性，可在加工精度与设备构成之间取得平衡。

紫外（UV）

波长更短，可获得更小的聚焦尺寸，且许多材料的吸收率较高，适合更精细的加工。但光学元件和维护成本往往更高。

实际选型时，应综合考虑材料吸收特性、加工深度、目标尺寸、吞吐量以及设备成本，而不能只根据波长判断。

总结

飞秒是观察和控制光、电子、分子运动的基本时间尺度。飞秒激光利用极短脉冲产生高峰值功率，能够实现时间分辨观测、低热影响的高精度加工以及透明材料内部加工。理解脉冲宽度、波长、能量和重复频率之间的关系，是选择测量方法和加工条件的关键。