超短脈沖激光器（如飛秒激光器）正日益成為易于使用的即插即用設備，適合廣泛的工業(yè)和生物醫(yī)學應用。15 年前，這些激光器的體積還非常大，需要每天清潔光學器件、定期維護冷卻水和不斷優(yōu)化激光參數(shù)。如今，采用成熟的光子晶體光纖放大技術(shù)和啁啾脈沖放大架構(gòu)的固態(tài)和光纖平臺已生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高且成本低的飛秒激光器。

　　在當今的超短光源中，激光腔是密閉的，即使是較大的盤式或板式放大腔也是封閉的，以便更有效地與環(huán)境隔離。這意味著現(xiàn)代超快激光器不再需要在現(xiàn)場進行手動校準，而且受溫度或濕度變化的影響也較小。

　　“幾十年前，如果你在超快激光器旁邊用力打噴嚏，它就可能對不準或失去鎖模功能，”通快產(chǎn)品經(jīng)理HeatherGeorge 說，“無源鎖模種子激光器而非有源鎖模種子激光器的出現(xiàn)，使工業(yè)超快激光器成為可能。”整套飛秒激光源現(xiàn)在提供各種價位，以及靈活的脈沖持續(xù)時間、脈沖能量、平均功率和光束參數(shù)。

　　其中許多系統(tǒng)還進一步集成了一些功能，如自動預補償不需要的群速度色散或集成聲光調(diào)制器，從而可以控制平均功率、每個脈沖的能量和重復率。Coherent 公司市場總監(jiān)Marco Arrigoni 說：“除了與自然元件老化有關(guān)的微小而緩慢的性能衰減外，交鑰匙激光器不應該要求用戶進行任何定期調(diào)整或重新優(yōu)化，它應該具有遠程診斷功能并提供遠程服務干預，可以最大限度地延長正常運行時間。”

　　盡管用戶友好型超快系統(tǒng)越來越多，但更好地了解這些激光器的參數(shù)有助于提高吞吐量、質(zhì)量和應用效率?；诠饫w的超快激光器幾乎無需維護，可持續(xù)運行多年且價格相對合理。典型的飛秒光纖激光器輸出功率小于10W，重復頻率在80MHz-100MHz 之間，脈沖能量在10nJ-20nJ 之間，價格約為50000 美元，約為早期產(chǎn)品價格的一半。

　　不過，成本也會隨著平均功率/ 脈沖能量的增加而增加。目前的超快激光器平均功率在10W-200W 之間，脈沖寬度小于300fs，脈沖能量在0.1mJ-2mJ 之間，猝發(fā)能量為8mJ。這些激光器的價格在80000美至100000美元之間。

　　TOPTICA Photonics AG 公司超快激光器產(chǎn)品經(jīng)理Bernhard Wolfring 說，設計決策必須考慮成本與所需激光工具的物理特性。最低功率要求無法使成本降低到某個水平以下。另一方面，最大功率要求有助于避免系統(tǒng)在成本和能力方面都過大。其結(jié)果通常是使專用激光系統(tǒng)在設計與成本、設計與參數(shù)之間達到最佳平衡。

　　材料加工

　　飛秒激光在材料加工應用中繼續(xù)得到廣泛采用，例如平板顯示器箔片切割、醫(yī)療支架微加工和晶片劃線。與皮秒或納秒脈沖相比，飛秒脈沖在微加工應用中能獲得更好的質(zhì)量，部分原因是飛秒脈沖對熱缺陷的影響最小，例如熱影響區(qū)或加工區(qū)域周圍的碎片。值得注意的是，這些優(yōu)勢也有局限性：對于大多數(shù)材料而言，短于350fs 的脈沖并不能提高加工效率，而且可能需要更昂貴的光學器件。此外，脈沖寬度本身只是問題的一部分。

　　NKT Photonics 公司超快激光器戰(zhàn)略營銷總監(jiān)HuiImam 說：脈沖寬度可能有點誤導，更重要的參數(shù)是峰值功率，即在短飛秒時間內(nèi)傳遞的能量。特定短飛秒脈沖的峰值功率越高，燒蝕的材料越多，而熱影響越小。

　　減少熱處理對溫度或機械敏感的材料（如鎳鈦諾、聚合物、藥物注入材料或薄電介質(zhì)）至關(guān)重要。超快光纖激光器的脈沖能量和平均功率受到光纖損壞閾值的限制。板式和盤式放大器等放大結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更高的脈沖能量和平均功率。但它們的占地面積更大、成本更高，對冷卻的要求也更嚴格。

　　平均功率和重復率決定了單個激光脈沖所能達到的最大脈沖能量。對于大多數(shù)材料加工應用而言，最佳脈沖能量取決于燒蝕閾值。而不同材料的閾值不同，但一旦脈沖能量超過材料的燒蝕閾值，加工過程就會出現(xiàn)飽和。實質(zhì)上，燒蝕過程中產(chǎn)生的等離子體會吸收后續(xù)脈沖，從而增加熱量并降低加工效率。

　　對于大多數(shù)材料的燒蝕，使用飛秒脈沖時的典型脈沖能量在0.02mJ-0.2mJ 之間。飛秒激光脈沖極高的功率密度還能誘導材料中的雙光子或多光子吸收，從而產(chǎn)生具有超越光學衍射極限的精細分辨率的三維結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的微米/ 納米制造技術(shù)相比，飛秒激光加工同時具有納米級特征尺寸和三維架構(gòu)能力。

　　單位面積上所傳輸?shù)墓饽埽ǚQ為激光通量）決定了燒蝕率效率（mm3/min/W）。對于大多數(shù)材料而言，兼顧最高加工質(zhì)量和最有效利用光能的最佳峰值通量值約為1J/cm2。MKS Spectra-Physics 高級應用工程經(jīng)理JimBovatsek 說：低于峰值的通量會導致效率急劇下降，而較高的通量則會導致效率逐漸下降。這樣就可以通過以更高的重復率運行，從而獲得更高的平均功率提高吞吐量。

　　然而在某些時候，要么輔助運動/ 掃描設備的移動速度不夠快，要么材料消散殘余熱能的能力不足，要么兩者兼而有之，結(jié)果就會形成不理想的熱影響區(qū)。Bovatsek 說，對于切割鎳鈦諾等材料，在開始形成熱影響區(qū)之前，激光重復頻率和脈沖能量分別為100kHz 和~80μJ 似乎是一個上限，而脈沖頻率大于2MHz 時功率大于100W 則可用于切割聚對苯二甲酸乙二酯和聚酰亞胺等聚合物薄膜。

　　打標醫(yī)療部件

　　飛秒激光器是對可重復使用的醫(yī)療器械進行打標的理想技術(shù)解決方案，前提是生產(chǎn)量能夠補償激光器的價格。在醫(yī)療器械上打標黑色或深色的永久性二維條形碼是一種日益廣泛的應用。通常情況下，在這些物品上打標需要使用成本較低的納秒脈沖激光器。這些標記經(jīng)過化學處理，具有耐腐蝕性。

　　然而，飛秒激光器能產(chǎn)生不易褪色的標記，隨著時間的推移不易被腐蝕和氧化，因此可能不需要額外的化學處理步驟。用皮秒激光器或飛秒激光器加工金屬，可以在納米尺度上形成小的周期性結(jié)構(gòu)，顯示為高對比度的黑色標記，這些黑色標記不受觀察角度的影響，在任何觀察角度都能顯示出黑色對比度。

　　飛秒脈沖是否能比皮秒脈沖獲得更好的標記質(zhì)量，相關(guān)研究仍在繼續(xù)。但更高的重復率可以加快掃描速度，從而縮短周期時間。因此，醫(yī)療打標應用必須考慮速度與質(zhì)量之間的權(quán)衡。

　　通快激光應用工程師Daniel Huerta-Murillo 說：在黑色打標中，使用的是低脈沖能量（<0.05 mJ）和高重復頻率（1MHz）。較高的脈沖能量會導致材料結(jié)構(gòu)化，而脈沖能量不足則會產(chǎn)生低對比度的標記。

　　焊接和切割

　　加工玻璃等脆性材料是飛秒激光器的另一個新興工業(yè)市場。據(jù)歐洲光子行業(yè)協(xié)會（EPIC）光子技術(shù)經(jīng)理AntonioCastelo 稱，玻璃加工需要正確的波長和脈沖能量。如果不能使用正確的參數(shù)，往往會在加工過程的最后增加額外的拋光步驟。

　　Castelo 說：用于玻璃和聚合物材料的一些工藝可能需要不同的近紅外和中紅外波長，而現(xiàn)在已經(jīng)有了2μm 和3μm 的交鑰匙解決方案。玻璃或透明脆性塑料切割和焊接需要一種特殊的光學設備，以實現(xiàn)某種被稱為貝塞爾光束的脈沖曲線。這種光束可以在被加工材料上形成一系列線性焦點，類似于一把拉長的激光刀，可以一次性對材料進行修改。

　　可加工的最大厚度受脈沖能量的限制。材料越厚，所需的脈沖能量越高。通快的 Huerta-Murillo 說：對于玻璃焊接，脈沖能量在0.01mJ 至0.04mJ 之間，具體取決于材料類型。對于玻璃切割，可使用0.1mJ 至2mJ 的脈沖能量，具體取決于待加工樣品的厚度。通快應用實驗室已經(jīng)對厚度達12mm 的玻璃板進行了激光切割。

　　脈沖持續(xù)時間是玻璃加工中的另一個重要因素。例如，切割透明玻璃可以使用皮秒脈沖。但對于焊接透明玻璃來說，飛秒脈沖更有用，因為飛秒脈沖可以達到更高的峰值功率，從而使玻璃在非常局部的區(qū)域內(nèi)熔化。

　　多光子顯微鏡

　　飛秒脈沖特別適用于誘導多光子事件，這對生物和科學成像應用（如非線性顯微鏡、雙光子光遺傳學和三光子成像）非常有價值。這些市場的主要最終用戶是光學背景有限的生物學家和神經(jīng)科學家。增加功能以簡化激光工具對這些終端用戶特別有吸引力。

　　相干公司的Arrigoni 說：這總是要回歸到為用戶帶來的附加值上，最常見的就是使用的便利性和易用性。核心成像實驗室的用戶經(jīng)常輪換且缺乏經(jīng)驗，他們可能會從全套交鑰匙性能中獲益，并很容易接受2倍于交鑰匙激光系統(tǒng)的價格。

　　在超快激光器的科學應用中，大約有80% 是通過交鑰匙激光器實現(xiàn)的，這些激光器可提供10W 的平均功率，脈沖頻率在1kHz 到10MHz 之間，脈沖寬度可在20fs 到200fs之間調(diào)節(jié)，可調(diào)諧波長在200nm 到1000nm 之間。

　　Wolfring 說，脈沖能量或峰值功率通常是飛秒激光器在生命科學應用中瞄準多光子現(xiàn)象的最重要因素。要取得良好效果，這些參數(shù)必須保持在一定范圍內(nèi)。如果功率過低，雙光子過程的效率可能不足以產(chǎn)生對比度良好的顯微圖像。如果參數(shù)過高，顯微鏡圖像可能會顯示出燒焦的組織樣本。

　　一般來說，多光子成像應用要求激光器在1MHz 到100MHz 脈沖頻率之間輸出幾十到幾百納焦的能量，以支持快速圖像掃描，避免對生物樣本造成損壞。原則上，脈沖越短，非線性效應越高，但在光學系統(tǒng)中傳播時保持短脈沖寬度是一個重要因素；色散和補償效應等參數(shù)變得非常重要。

　　兼顧理想與現(xiàn)實

　　從光譜學到光子學計算，超快激光器仍在尋找新的應用領域。這些領域的客戶要求激光器具有靈活性和可調(diào)諧性，但超快光源的壽命與市場規(guī)模尚不匹配。Menhir Photonics公司首席執(zhí)行官Florian Emaury 認為，如何權(quán)衡利弊為這些新興市場提供產(chǎn)品，是一個值得應對的挑戰(zhàn)。

　　為市場設計超快激光系統(tǒng)，需要在客戶需求與可靠性、可制造性以及合理交付之間取得平衡。建立一個強大的交鑰匙系統(tǒng)需要反復的步驟，首先是確定所需的最低規(guī)格。Emaury 說，客戶的要求對于他們的實驗來說總是合理的，但客戶很少考慮到他們所需的系統(tǒng)在可靠性和可重復性方面的要求?？紤]激光器多年的擁有成本是關(guān)鍵。

　　足跡、光纖和未來

　　超快激光器除了使用更方便、價格更具競爭力外，體積也越來越小巧?；诠饫w的系統(tǒng)可以更靈活地傳輸光束，從而便于集成到狹窄的生產(chǎn)線、顯微鏡系統(tǒng)或醫(yī)療辦公室中。

　　更小的占地面積也使超快激光器可以安裝在更小的設備中，例如光子計算架構(gòu)，超短脈沖的精確性可以使光子微處理器以更少的能量更快地執(zhí)行計算。Emaury 說：這是一個需求量非常大的市場，計劃每年生產(chǎn)數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個激光器。當然，目前這些激光器的體積將比手機還小，但它們將成為任何高端計算機的核心部件。

　　用于光子計算的激光器需要提供千兆赫級的重復率，并在10fs 窗口內(nèi)為每個脈沖精確計時。雖然這一市場和其他市場可能需要當今激光器還無法實現(xiàn)的復雜參數(shù)，但其最新進展為新的發(fā)展提供了動力。

　　隨著超快激光器的發(fā)展，其在重復率、波長和脈沖持續(xù)時間方面更強大、更多變的性能將不可避免地使應用范圍不斷擴大。近年來光纖激光器的發(fā)展表明，新的激光波長和新的功率水平可通過啁啾脈沖放大等新概念實現(xiàn)，為光纖激光器進入當前的關(guān)鍵市場提供了重要的技術(shù)推動力。

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