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，這些激光器還是大型主機(jī)，需要每天清潔光學(xué)器件、定期維護(hù)冷卻水和不斷優(yōu)化激光器參數(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、可靠性高且成本較低的飛秒激光器。

用于在可見光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生寬帶頻率梳的飛秒光纖激光器實(shí)驗(yàn)室裝置。（OPTICA Photonics 供圖）。

在當(dāng)今的超短光源中，激光腔是氣密的，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(jìn)行手動校準(zhǔn)，且受溫度或濕度變化的影響較小。

“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(zhǔn)或失去鎖模功能，”TRUMPF 產(chǎn)品經(jīng)理 Heather George 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(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)。

飛秒激光器的超短脈沖可在對材料造成最小熱損傷的情況下對其進(jìn)行燒蝕或標(biāo)記，從而使其成為加工熱敏材料的有效工具。（由通快公司供圖）。

許多此類系統(tǒng)還進(jìn)一步集成了一些功能，如自動預(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、每個脈沖的能量和重復(fù)率。

“除了與自然元件老化有關(guān)的微小而緩慢的性能衰減外，整套激光器不需要用戶進(jìn)行任何定期調(diào)整或重新優(yōu)化，并且它應(yīng)該具有遠(yuǎn)程診斷功能，并提供遠(yuǎn)程服務(wù)干預(yù)，以最大限度地延長正常運(yùn)行時(shí)間?！毕喔晒?(Coherent Corp.) 營銷總監(jiān) Marco Arrigoni 說道。

飛秒激光脈沖可實(shí)現(xiàn)玻璃與玻璃以及玻璃與金屬的焊接。（通快公司供圖）。

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)有助于提高其產(chǎn)量、質(zhì)量和應(yīng)用效率?；诠饫w的超快激光器幾乎無需維護(hù)便可持續(xù)運(yùn)行多年，且價(jià)格相對實(shí)惠。典型的飛秒光纖激光器輸出功率小于10 W，重復(fù)頻率在80到100 MHz之間，脈沖能量在10到20 nJ之間，價(jià)格約為50,000美元，約為早期產(chǎn)品價(jià)格的一半。

不過，成本會隨著平均功率/脈沖能量的增加而增加。當(dāng)前的超快激光器平均功率在10到200 W之間，脈沖寬度小于300 fs，脈沖能量在0.1到2 mJ之間，猝發(fā)能量為8 mJ。這些激光器的價(jià)格在80,000美元到100,000美元之間。

超短脈沖激光器越來越多地用于不銹鋼醫(yī)療器械的黑色打標(biāo)，激光能量可形成不易腐蝕和氧化的不可磨滅的標(biāo)記。（NKT Photonics 供圖）

TOPTICA Photonics AG 超快激光器產(chǎn)品經(jīng)理 Bernhard Wolfring 表示，設(shè)計(jì)方案必須考慮成本與所需激光工具的物理特性?！八璧淖畹凸β什辉试S成本降低到一定水平以下，”他說，“另一方面，最大功率要求有助于避免系統(tǒng)在成本和功能方面規(guī)模過大。其結(jié)果通常是使專用激光系統(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?！?/p>

應(yīng)用一：材料加工

飛秒激光器繼續(xù)在材料加工應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，例如切割平板顯示器的箔片、微加工醫(yī)療支架和晶片劃線。

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，部分原因在于飛秒脈沖對熱缺陷的影響最小，例如加工區(qū)域周圍的熱影響區(qū) (HAZ) 或碎片。值得注意的是，這些優(yōu)勢也有一個底線： 對于大多數(shù)材料而言，短于350 fs 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題的一部分。 

飛秒激光適合微加工精細(xì)特征，因此微加工心臟支架是飛秒激光的一個常見應(yīng)用。（MKS Spectra-Physics 供圖）。

NKT Photonics 公司超快激光器戰(zhàn)略營銷總監(jiān) Hui Imam 說：“我們認(rèn)為，脈沖寬度可能有點(diǎn)誤導(dǎo)。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。給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?！?/p>

減少熱處理對于溫度或機(jī)械敏感的材料至關(guān)重要，例如鎳鈦諾、聚合物、藥物注入材料或薄電介質(zhì)。

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。板狀和盤狀放大器等放大結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更高的脈沖能量和平均功率。但它們也會帶來更大的占地面積、更高的成本和更嚴(yán)格的冷卻要求。

平均功率和重復(fù)率決定了單個激光脈沖所能達(dá)到的最大脈沖能量。對于大多數(shù)材料加工應(yīng)用而言，最佳脈沖能量取決于所謂的燒蝕閾值。

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(shí)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(shí)的典型脈沖能量在0.02至0.2 mJ之間。”George 說。

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)生精細(xì)分辨率超過光學(xué)衍射極限的三維結(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)具有納米級特征尺寸和三維架構(gòu)能力。

單位面積上傳輸?shù)墓饽芰浚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1 J/cm²。

MKS Spectra-Physics 高級應(yīng)用工程經(jīng)理 Jim Bovatsek 說：“低于峰值的通量會導(dǎo)致效率急劇下降，而較高的通量則會導(dǎo)致效率逐漸下降?！边@樣就可以以更高的重復(fù)率運(yùn)行，從而獲得更高的平均功率來提高吞吐量。

然而，在某些時(shí)候，要么輔助運(yùn)動/掃描設(shè)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)（HAZ）之前，激光重復(fù)頻率和脈沖能量分別為100 kHz和~80 μJ似乎是一個上限，而脈沖頻率大于2 MHz時(shí)功率大于100 W則可用于切割聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺等聚合物薄膜。

應(yīng)用二：標(biāo)記醫(yī)療部件

如果生產(chǎn)量能夠補(bǔ)償激光器的價(jià)格，那么飛秒激光器可以成為標(biāo)記可重復(fù)使用醫(yī)療器械的理想技術(shù)解決方案。

在醫(yī)療器械上標(biāo)記黑色或深色的永久性二維條形碼的應(yīng)用日益廣泛，這可用于登記這些工具并跟蹤其清洗時(shí)間。

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)過化學(xué)處理，具有耐腐蝕性。然而，飛秒激光器能產(chǎn)生不可磨滅的標(biāo)記，該標(biāo)記不會隨著時(shí)間的推移而被腐蝕和氧化，因此可能不需要額外的化學(xué)處理步驟。

通快公司的George說：“用皮秒或飛秒激光加工金屬，可以產(chǎn)生納米級的小周期性結(jié)構(gòu)，顯示為高對比度的黑色標(biāo)記。這些黑色標(biāo)記與觀察角度無關(guān)，在任何觀察角度下都能顯示出黑色對比度?！?/p>

飛秒脈沖能否比皮秒脈沖獲得更好的標(biāo)記質(zhì)量的研究仍在繼續(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。

通快公司的激光應(yīng)用工程師 Daniel Huerta-Murillo 說：“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（1 MHz）。較高的脈沖能量會導(dǎo)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(biāo)記?！?/p>

應(yīng)用三：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)歐洲光子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（EPIC）光子技術(shù)經(jīng)理 Antonio Castelo 介紹，玻璃加工需要準(zhǔn)確的波長和脈沖能量相結(jié)合。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近紅外和中紅外的不同波長，現(xiàn)在有2微米和3微米的全套解決方案。”

玻璃或透明脆性塑料的切割和焊接需要一種特殊的光學(xué)器件，以實(shí)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(diǎn)，類似于一把細(xì)長的激光刀，可以一次性對材料進(jìn)行修改。

可加工的最大厚度受到脈沖能量的限制。材料越厚，所需的脈沖能量就越高。

通快公司的 Huerta-Murillo 說：“對于玻璃焊接，脈沖能量在0.01 mJ至0.04 mJ 之間，具體取決于材料類型；對于玻璃切割，可使用0.1 mJ至2 mJ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)實(shí)現(xiàn)對厚度達(dá)12毫米的玻璃板進(jìn)行了激光切割?！?/p>

脈沖持續(xù)時(shí)間是玻璃加工的另一個重要因素。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?yàn)樗鼈兡苓_(dá)到更高的峰值功率，從而使玻璃在特定局部的區(qū)域內(nèi)熔化。

應(yīng)用四：多光子顯微鏡

飛秒脈沖特別適用于誘導(dǎo)多光子應(yīng)用，這些應(yīng)用對生物和科學(xué)成像應(yīng)用非常有價(jià)值，例如非線性顯微鏡、雙光子光遺傳學(xué)和三光子成像。

這些市場的主要最終用戶是光學(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(shí)驗(yàn)室的用戶經(jīng)常輪換且缺乏經(jīng)驗(yàn)，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(jià)格。” 

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

沃爾夫林說，對于生命科學(xué)應(yīng)用中針對多光子現(xiàn)象的飛秒激光器來說，脈沖能量或峰值功率通常是最重要的因素。為了獲取良好效果，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(yīng)用要求激光器在1到100 MHz脈沖頻率之間輸出數(shù)十到數(shù)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(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重要因素；色散和補(bǔ)償效應(yīng)等參數(shù)變得非常重要。

如何平衡理想與現(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(rèn)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(yīng)對的挑戰(zhàn)。

針對這些市場的超快激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須在客戶需求與可靠性和可制造性方面的合理交付之間取得平衡。建立一個強(qiáng)大的交鑰匙系統(tǒng)需要反復(fù)的步驟——首先是確定所需應(yīng)用所需的最低規(guī)格。 

Emaury 說，客戶的要求對于他們的需求來說總是合理的，但客戶很少考慮到他們所需的系統(tǒng)在可靠性和可重復(fù)性方面的要求。考慮激光器多年的擁有成本是關(guān)鍵。

未來進(jìn)展？

超快激光器除了使用更方便、價(jià)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)療環(huán)境中。

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)，超短脈沖的精度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：“我們認(rèn)為這是一個需求量非常大的市場，我們計(jì)劃每年生產(chǎn)數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個激光器。"當(dāng)然，目前這些激光器的體積將比手機(jī)尺寸還小，但它們將成為任何高端計(jì)算機(jī)的核心部件。” 

光子計(jì)算專用激光器將需要提供千兆赫級的重復(fù)率，并在10fs窗口內(nèi)為每個脈沖精確計(jì)時(shí)。

雖然這個市場和其他市場可能需要當(dāng)今的激光器尚無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜參數(shù)，但它們最近取得的進(jìn)展為新的發(fā)展提供了動力。

隨著超快激光器的發(fā)展，在重復(fù)率、波長和脈沖持續(xù)時(shí)間方面更強(qiáng)大、更通用的性能將不可避免地導(dǎo)致其應(yīng)用范圍的大斷擴(kuò)大。但技術(shù)如何驅(qū)動市場，這中間似乎存在某種相互讓步的關(guān)系。

“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(shí)現(xiàn)）為光纖激光器進(jìn)入當(dāng)前的關(guān)鍵市場提供了重要的技術(shù)推動力。”Wolfring 說。