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(shè)備，適合廣泛的工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。15 年前，這些激光器的體積還非常大，需要每天清潔光學(xué)器件、定期維護(hù)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(tái)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(dāng)今的超短光源中，激光腔是密閉的，即使是較大的盤(pán)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(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)，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(duì)不準(zhǔn)或失去鎖模功能，”通快產(chǎn)品經(jīng)理HeatherGeorge 說(shuō)，“無(wú)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(jià)位，以及靈活的脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖能量、平均功率和光束參數(shù)。

　　其中許多系統(tǒng)還進(jìn)一步集成了一些功能，如自動(dòng)預(yù)補(bǔ)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(gè)脈沖的能量和重復(fù)率。Coherent 公司市場(chǎng)總監(jiān)Marco Arrigoni 說(shuō)：“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(yīng)該要求用戶(hù)進(jìn)行任何定期調(diào)整或重新優(yōu)化，它應(yīng)該具有遠(yuǎn)程診斷功能并提供遠(yuǎn)程服務(wù)干預(yù)，可以最大限度地延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間。”

　　盡管用戶(hù)友好型超快系統(tǒng)越來(lái)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(yīng)用效率?；诠饫w的超快激光器幾乎無(wú)需維護(hù)，可持續(xù)運(yùn)行多年且價(jià)格相對(duì)合理。典型的飛秒光纖激光器輸出功率小于10W，重復(fù)頻率在80MHz-100MHz 之間，脈沖能量在10nJ-20nJ 之間，價(jià)格約為50000 美元，約為早期產(chǎn)品價(jià)格的一半。

　　不過(guò)，成本也會(huì)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(jià)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(shuō)，設(shè)計(jì)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(wú)法使成本降低到某個(gè)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(guò)大。其結(jié)果通常是使專(zhuān)用激光系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與成本、設(shè)計(jì)與參數(shù)之間達(dá)到最佳平衡。

　　材料加工

　　飛秒激光在材料加工應(yīng)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(xiàn)。與皮秒或納秒脈沖相比，飛秒脈沖在微加工應(yīng)用中能獲得更好的質(zhì)量，部分原因是飛秒脈沖對(duì)熱缺陷的影響最小，例如熱影響區(qū)或加工區(qū)域周?chē)乃槠?。值得注意的是，這些優(yōu)勢(shì)也有局限性：對(duì)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(xué)器件。此外，脈沖寬度本身只是問(wèn)題的一部分。

　　NKT Photonics 公司超快激光器戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)HuiImam 說(shuō)：脈沖寬度可能有點(diǎn)誤導(dǎo)，更重要的參數(shù)是峰值功率，即在短飛秒時(shí)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(duì)溫度或機(jī)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(pán)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(duì)冷卻的要求也更嚴(yán)格。

　　平均功率和重復(fù)率決定了單個(gè)激光脈沖所能達(dá)到的最大脈沖能量。對(duì)于大多數(shù)材料加工應(yīng)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(guò)材料的燒蝕閾值，加工過(guò)程就會(huì)出現(xiàn)飽和。實(shí)質(zhì)上，燒蝕過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體會(huì)吸收后續(xù)脈沖，從而增加熱量并降低加工效率。

　　對(duì)于大多數(shù)材料的燒蝕，使用飛秒脈沖時(shí)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(dǎo)材料中的雙光子或多光子吸收，從而產(chǎn)生具有超越光學(xué)衍射極限的精細(xì)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(shí)具有納米級(jí)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(chēng)為激光通量）決定了燒蝕率效率（mm3/min/W）。對(duì)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(jí)應(yīng)用工程經(jīng)理JimBovatsek 說(shuō)：低于峰值的通量會(huì)導(dǎo)致效率急劇下降，而較高的通量則會(huì)導(dǎo)致效率逐漸下降。這樣就可以通過(guò)以更高的重復(fù)率運(yùn)行，從而獲得更高的平均功率提高吞吐量。

　　然而在某些時(shí)候，要么輔助運(yùn)動(dòng)/ 掃描設(shè)備的移動(dòng)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(huì)形成不理想的熱影響區(qū)。Bovatsek 說(shuō)，對(duì)于切割鎳鈦諾等材料，在開(kāi)始形成熱影響區(qū)之前，激光重復(fù)頻率和脈沖能量分別為100kHz 和~80μJ 似乎是一個(gè)上限，而脈沖頻率大于2MHz 時(shí)功率大于100W 則可用于切割聚對(duì)苯二甲酸乙二酯和聚酰亞胺等聚合物薄膜。

　　打標(biāo)醫(yī)療部件

　　飛秒激光器是對(duì)可重復(fù)使用的醫(yī)療器械進(jìn)行打標(biāo)的理想技術(shù)解決方案，前提是生產(chǎn)量能夠補(bǔ)償激光器的價(jià)格。在醫(yī)療器械上打標(biāo)黑色或深色的永久性二維條形碼是一種日益廣泛的應(yīng)用。通常情況下，在這些物品上打標(biāo)需要使用成本較低的納秒脈沖激光器。這些標(biāo)記經(jīng)過(guò)化學(xué)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(biāo)記，隨著時(shí)間的推移不易被腐蝕和氧化，因此可能不需要額外的化學(xué)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(duì)比度的黑色標(biāo)記，這些黑色標(biāo)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(duì)比度。

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

　　通快激光應(yīng)用工程師Daniel Huerta-Murillo 說(shuō)：在黑色打標(biāo)中，使用的是低脈沖能量（<0.05 mJ）和高重復(fù)頻率（1MHz）。較高的脈沖能量會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)化，而脈沖能量不足則會(huì)產(chǎn)生低對(duì)比度的標(biāo)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(gè)新興工業(yè)市場(chǎng)。據(jù)歐洲光子行業(yè)協(xié)會(huì)（EPIC）光子技術(shù)經(jīng)理AntonioCastelo 稱(chēng)，玻璃加工需要正確的波長(zhǎng)和脈沖能量。如果不能使用正確的參數(shù)，往往會(huì)在加工過(guò)程的最后增加額外的拋光步驟。

　　Castelo 說(shuō)：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(zhǎng)，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(xué)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)某種被稱(chēng)為貝塞爾光束的脈沖曲線(xiàn)。這種光束可以在被加工材料上形成一系列線(xiàn)性焦點(diǎn)，類(lèi)似于一把拉長(zhǎng)的激光刀，可以一次性對(duì)材料進(jìn)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(shuō)：對(duì)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(lèi)型。對(duì)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(yīng)用實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)對(duì)厚度達(dá)12mm 的玻璃板進(jìn)行了激光切割。

　　脈沖持續(xù)時(shí)間是玻璃加工中的另一個(gè)重要因素。例如，切割透明玻璃可以使用皮秒脈沖。但對(duì)于焊接透明玻璃來(lái)說(shuō)，飛秒脈沖更有用，因?yàn)轱w秒脈沖可以達(dá)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(dǎo)多光子事件，這對(duì)生物和科學(xué)成像應(yīng)用（如非線(xiàn)性顯微鏡、雙光子光遺傳學(xué)和三光子成像）非常有價(jià)值。這些市場(chǎng)的主要最終用戶(hù)是光學(xué)背景有限的生物學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家。增加功能以簡(jiǎn)化激光工具對(duì)這些終端用戶(hù)特別有吸引力。

　　相干公司的Arrigoni 說(shuō)：這總是要回歸到為用戶(hù)帶來(lái)的附加值上，最常見(jiàn)的就是使用的便利性和易用性。核心成像實(shí)驗(yàn)室的用戶(hù)經(jīng)常輪換且缺乏經(jīng)驗(yàn)，他們可能會(huì)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(jià)格。

　　在超快激光器的科學(xué)應(yīng)用中，大約有80% 是通過(guò)交鑰匙激光器實(shí)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(zhǎng)在200nm 到1000nm 之間。

　　Wolfring 說(shuō)，脈沖能量或峰值功率通常是飛秒激光器在生命科學(xué)應(yīng)用中瞄準(zhǔn)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(guò)低，雙光子過(guò)程的效率可能不足以產(chǎn)生對(duì)比度良好的顯微圖像。如果參數(shù)過(guò)高，顯微鏡圖像可能會(huì)顯示出燒焦的組織樣本。

　　一般來(lái)說(shuō)，多光子成像應(yīng)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(duì)生物樣本造成損壞。原則上，脈沖越短，非線(xiàn)性效應(yīng)越高，但在光學(xué)系統(tǒng)中傳播時(shí)保持短脈沖寬度是一個(gè)重要因素；色散和補(bǔ)償效應(yīng)等參數(shù)變得非常重要。

　　兼顧理想與現(xiàn)實(shí)

　　從光譜學(xué)到光子學(xué)計(jì)算，超快激光器仍在尋找新的應(yīng)用領(lǐng)域。這些領(lǐng)域的客戶(hù)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(chǎng)規(guī)模尚不匹配。Menhir Photonics公司首席執(zhí)行官Florian Emaury 認(rèn)為，如何權(quán)衡利弊為這些新興市場(chǎng)提供產(chǎn)品，是一個(gè)值得應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。

　　為市場(chǎng)設(shè)計(jì)超快激光系統(tǒng)，需要在客戶(hù)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(gè)強(qiáng)大的交鑰匙系統(tǒng)需要反復(fù)的步驟，首先是確定所需的最低規(guī)格。Emaury 說(shuō)，客戶(hù)的要求對(duì)于他們的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)總是合理的，但客戶(hù)很少考慮到他們所需的系統(tǒng)在可靠性和可重復(fù)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(lái)

　　超快激光器除了使用更方便、價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)力外，體積也越來(lái)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(xiàn)、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(shè)備中，例如光子計(jì)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(jì)算。Emaury 說(shuō)：這是一個(gè)需求量非常大的市場(chǎng)，計(jì)劃每年生產(chǎn)數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)激光器。當(dāng)然，目前這些激光器的體積將比手機(jī)還小，但它們將成為任何高端計(jì)算機(jī)的核心部件。

　　用于光子計(jì)算的激光器需要提供千兆赫級(jí)的重復(fù)率，并在10fs 窗口內(nèi)為每個(gè)脈沖精確計(jì)時(shí)。雖然這一市場(chǎng)和其他市場(chǎng)可能需要當(dāng)今激光器還無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜參數(shù)，但其最新進(jìn)展為新的發(fā)展提供了動(dòng)力。

　　隨著超快激光器的發(fā)展，其在重復(fù)率、波長(zhǎng)和脈沖持續(xù)時(shí)間方面更強(qiáng)大、更多變的性能將不可避免地使應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。近年來(lái)光纖激光器的發(fā)展表明，新的激光波長(zhǎng)和新的功率水平可通過(guò)啁啾脈沖放大等新概念實(shí)現(xiàn)，為光纖激光器進(jìn)入當(dāng)前的關(guān)鍵市場(chǎng)提供了重要的技術(shù)推動(dòng)力。

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