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，適合廣泛的工業和生物醫學應用。15年前，這些激光器還是大型主機，需要每天清潔光學器件、定期維護冷卻水和不斷優化激光器參數。
如今，采用成熟的光子晶體光纖放大技術和啁啾脈沖放大架構的固態和光纖平臺已生產出結構緊湊、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產生寬帶頻率梳的飛秒光纖激光器實驗室裝置。（OPTICA Photonics 供圖）。
在當今的超短光源中，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，以便更有效地與環境隔離。這意味著現代超快激光器不再需要在現場進行手動校準，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，它就可能對不準或失去鎖模功能，”TRUMPF 產品經理 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，使工業超快激光器成為可能。”
整套飛秒激光源現在提供各種價位，以及靈活的脈沖持續時間、脈沖能量、平均功率和光束參數。
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行燒蝕或標記，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制器，從而可以控制平均功率、每個脈沖的能量和重復率。
“除了與自然元件老化有關的微小而緩慢的性能衰減外，整套激光器不需要用戶進行任何定期調整或重新優化，并且它應該具有遠程診斷功能，并提供遠程服務干預，以最大限度地延長正常運行時間。”相干公司 (Coherent Corp.) 營銷總監 Marco Arrigoni 說道。
飛秒激光脈沖可實現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越來越多，但更好地了解這些激光器的參數有助于提高其產量、質量和應用效率。基于光纖的超快激光器幾乎無需維護便可持續運行多年，且價格相對實惠。典型的飛秒光纖激光器輸出功率小于10 W，重復頻率在80到100 MHz之間，脈沖能量在10到20 nJ之間，價格約為50,000美元，約為早期產品價格的一半。
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，猝發能量為8 mJ。這些激光器的價格在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療器械的黑色打標，激光能量可形成不易腐蝕和氧化的不可磨滅的標記。（NKT Photonics 供圖）
TOPTICA Photonics AG 超快激光器產品經理 Bernhard Wolfring 表示，設計方案必須考慮成本與所需激光工具的物理特性。“所需的最低功率不允許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在成本和功能方面規模過大。其結果通常是使專用激光系統在設計與成本、設計與參數之間達到最佳平衡。”
應用一：材料加工
飛秒激光器繼續在材料加工應用中得到廣泛應用，例如切割平板顯示器的箔片、微加工醫療支架和晶片劃線。
與皮秒或納秒脈沖相比，飛秒脈沖在微加工應用中能獲得更好的質量，部分原因在于飛秒脈沖對熱缺陷的影響最小，例如加工區域周圍的熱影響區 (HAZ) 或碎片。值得注意的是，這些優勢也有一個底線： 對于大多數材料而言，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特征，因此微加工心臟支架是飛秒激光的一個常見應用。（MKS Spectra-Physics 供圖）。
NKT Photonics 公司超快激光器戰略營銷總監 Hui Imam 說：“我們認為，脈沖寬度可能有點誤導。重要的參數是峰值功率，即在短飛秒時間內傳遞的能量。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。”
減少熱處理對于溫度或機械敏感的材料至關重要，例如鎳鈦諾、聚合物、藥物注入材料或薄電介質。
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構可以產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、更高的成本和更嚴格的冷卻要求。
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。對于大多數材料加工應用而言，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，加工過程就會出現飽和。實質上，燒蝕過程中產生的等離子體會吸收后續脈沖，從而增加熱量并降低加工效率。
“對于大多數材料的燒蝕，使用飛秒脈沖時的典型脈沖能量在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材料中的雙光子或多光子吸收，從而產生精細分辨率超過光學衍射極限的三維結構。與傳統的微米/納米制造技術相比，飛秒激光加工同時具有納米級特征尺寸和三維架構能力。
單位面積上傳輸的光能量（稱為激光通量）決定了燒蝕率效率（mm3/min/W）。對于大多數材料而言，兼顧最高加工質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 高級應用工程經理 Jim Bovatsek 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。”這樣就可以以更高的重復率運行，從而獲得更高的平均功率來提高吞吐量。
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，結果就會形成不理想的熱影響區。
Bovatsek 說，對于切割鎳鈦諾等材料，在開始形成熱影響區（HAZ）之前，激光重復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。
應用二：標記醫療部件
如果生產量能夠補償激光器的價格，那么飛秒激光器可以成為標記可重復使用醫療器械的理想技術解決方案。
在醫療器械上標記黑色或深色的永久性二維條形碼的應用日益廣泛，這可用于登記這些工具并跟蹤其清洗時間。
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。這些標記經過化學處理，具有耐腐蝕性。然而，飛秒激光器能產生不可磨滅的標記，該標記不會隨著時間的推移而被腐蝕和氧化，因此可能不需要額外的化學處理步驟。
通快公司的George說：“用皮秒或飛秒激光加工金屬，可以產生納米級的小周期性結構，顯示為高對比度的黑色標記。這些黑色標記與觀察角度無關，在任何觀察角度下都能顯示出黑色對比度。”
飛秒脈沖能否比皮秒脈沖獲得更好的標記質量的研究仍在繼續。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，醫療打標應用必須考慮速度與質量之間的權衡。
通快公司的激光應用工程師 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（1 MHz）。較高的脈沖能量會導致材料結構化，而脈沖能量不足則會產生低對比度的標記。”
應用三：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市場。
據歐洲光子產業聯盟（EPIC）光子技術經理 Antonio Castelo 介紹，玻璃加工需要準確的波長和脈沖能量相結合。如果不能使用正確的參數，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器件，以實現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，類似于一把細長的激光刀，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。通快應用實驗室已經實現對厚度達12毫米的玻璃板進行了激光切割。”
脈沖持續時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，因為它們能達到更高的峰值功率，從而使玻璃在特定局部的區域內熔化。
應用四：多光子顯微鏡
飛秒脈沖特別適用于誘導多光子應用，這些應用對生物和科學成像應用非常有價值，例如非線性顯微鏡、雙光子光遺傳學和三光子成像。
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常輪換且缺乏經驗，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之間調節，可調諧波長在200 nm到1000 nm之間。
沃爾夫林說，對于生命科學應用中針對多光子現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，這些參數必須保持在一定范圍內。如果功率過低，雙光子過程的效率可能不足以產生對比度良好的顯微圖像。如果參數過高，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1到100 MHz脈沖頻率之間輸出數十到數百納焦的能量，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變得非常重要。
如何平衡理想與現實？
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諧性，但超快光源的壽命與市場規模尚不匹配。Menhir Photonics 公司首席執行官 Florian Emaury 認為，如何權衡利弊，為這些新興市場提供產品，是一個值得應對的挑戰。
針對這些市場的超快激光系統的設計，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。建立一個強大的交鑰匙系統需要反復的步驟——首先是確定所需應用所需的最低規格。
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在可靠性和可重復性方面的要求。考慮激光器多年的擁有成本是關鍵。
未來進展？
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。基于光纖的系統可以更靈活地傳輸光束，從而便于集成到狹窄的生產線、顯微鏡系統或醫療環境中。
更小的占地面積也使超快激光器可以安裝在更小的設備中，例如光子計算架構，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行計算。
Emaury 說：“我們認為這是一個需求量非常大的市場，我們計劃每年生產數十萬甚至數百萬個激光器。"當然，目前這些激光器的體積將比手機尺寸還小，但它們將成為任何高端計算機的核心部件。”
光子計算專用激光器將需要提供千兆赫級的重復率，并在10fs窗口內為每個脈沖精確計時。
雖然這個市場和其他市場可能需要當今的激光器尚無法實現的復雜參數，但它們最近取得的進展為新的發展提供了動力。
隨著超快激光器的發展，在重復率、波長和脈沖持續時間方面更強大、更通用的性能將不可避免地導致其應用范圍的大斷擴大。但技術如何驅動市場，這中間似乎存在某種相互讓步的關系。
“近年來光纖激光器的發展表明，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）為光纖激光器進入當前的關鍵市場提供了重要的技術推動力。”Wolfring 說。
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