在科技的浩瀚長河中，飛秒激光技術猶如一顆璀璨的明珠，以其無與倫比的時間分辨率和能量密度，揭開了自然界秘密的一角。本文將為讀者們展示飛秒激光技術的產生原理及其福晶科技提出的一站式飛秒激光解決方案，并且通過本文希望能夠為您提供一個關于飛秒激光技術的全景視角，啟發未來的無限可能。
目前，產生高功率飛秒激光的主要技術手段是啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification，CPA)，根據放大增益介質的不同可分為光纖放大和固體放大，對應分為全光纖結構飛秒激光器和固體飛秒激光器。光纖飛秒激光器使用稀土（如鐿Yb、鉺Er、銩Tm）摻雜光纖作為增益介質，具有結構緊湊、穩定性高、成本低等優點。固體飛秒激光器使用塊狀晶體、板條、碟片（如Ti:sapphire、Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:CALGO等）作為增益介質，具有高峰值功率和高輸出能量等優點。板條和碟片飛秒激光器基于傳統固體激光器，通過對增益介質的設計有效降低了熱效應，提高泵浦效率，進而提高輸出能量和改善光束質量。
如動畫方案所示，本文以基于Yb摻雜激光增益晶體的固體飛秒激光器為例介紹飛秒激光的產生過程。高功率飛秒激光產生主要包括：振蕩器輸出低功率飛秒種子光、脈沖選擇、脈沖展寬、再生放大、行波放大和脈沖壓縮6個過程。
一、飛秒激光是什么 在具體介紹飛秒激光的產生過程之前，我們先來了解，飛秒激光是什么？ 飛秒激光指的是脈沖持續時間在飛秒（10-15秒）量級的激光，可捕捉分子振動、電子運動甚至是量子現象等超快過程，在千萬億分之一秒的時間尺度上探索基本物理現象。由于其脈沖寬度極窄、能量密度極高，在科學研究、工業、醫學等領域都有著廣泛的應用。 在科研領域，飛秒激光在太赫茲與阿秒激光的產生中具有重要作用，飛秒激光由于其極短脈寬以及極高峰值功率能夠作為泵浦源高效激發非線性光學介質產生太赫茲輻射；同時使用載波包絡相位鎖定的高強度飛秒激光可以產生阿秒脈沖(1as=10-18s)，開展阿秒科學的研究。 在工業加工領域，與普通激光采用熱燒蝕的加工方式不同，飛秒激光因其脈沖寬度較窄，在加工過程中與材料作用時間短，熱效應較低，加工后的材料，表面平滑無碎屑；并且在透明材料加工領域由于其具有較高的峰值功率，當激光脈沖聚焦在材料內部時，可以在材料內部產生永久結構而不損傷材料表面[1]。 在醫學領域，飛秒激光在多光子成像方面具有更深的穿透深度和更高的空間分辨率，為醫生提供了更為精準的診斷手段[2]；同時由于飛秒激光作用過程熱效應小、持續時間短等特性在眼科手術方面也有眾多應用[3]。 二、飛秒激光的產生&一站式飛秒激光解決方案
圖1 一站式飛秒激光解決方案展示圖
福晶科技可為全光纖飛秒和固體飛秒激光方案提供核心元器件，尤其在固體飛秒激光領域，福晶科技可提供創新式的“一站式”飛秒激光解決方案，形成了獨特的“晶體+光學+器件+方案”合作模式。本文展示的“一站式”飛秒激光方案中，包含從脈沖選擇的聲光調制器、再生放大中的普克爾盒、調節激光輸出的光開關以及它們各自的配套驅動、各級光隔離器、再生放大和行波放大中的超快激光晶體，再到啁啾光纖布拉格光柵展寬器和透射式脈沖壓縮光柵等各類光學元器件，滿足客戶在飛秒激光器研發、生產中的核心元器件需求。
飛秒激光的產生過程
種子光在飛秒激光器中通過鎖模技術在激光諧振腔內不同模式之間引入固定的相位關系來產生。然而，由鎖模振蕩器輸出的超短脈沖功率通常較低，無法直接滿足許多應用需求，因此需要進一步放大。在2018年Veselis等人利用摻鉺光纖種子激光器與摻鐿晶體棒放大器相結合，生成了高保真的脈沖[4]，該研究表明通過有效的放大策略，飛秒種子激光可以實現更高的功率。 2. 聲光調制器—脈沖選擇 由于電子器件的時間延遲限制，飛秒種子光通常只能通過被動鎖模的方式產生。為了提取和選擇滿足特定條件的脈沖，進行后續的放大或其他處理，需要引入聲光調制器。聲光調制器能夠在大光譜帶寬上補償大量的色散，同時提供高對比度的振幅整形，這對于脈沖選擇至關重要[5]。
圖2 光纖耦合聲光調制器 福晶科技設計開發了一系列AOM，最高頻率可達300 MHz，上升/下降時間低至6 ns，可根據客戶要求的調制速度、波長、功率、光束直徑、消光比，對調制器設計進行優化，光纖末端也可根據需要配置FC/APC等接頭，為客戶提供最佳調制技術解決方案。 表1 光纖耦合聲光調制器典型參考指標 3. 啁啾光纖布拉格光柵展寬器—脈沖展寬 由于飛秒激光的脈寬較窄且峰值功率極高，放大過程中容易引發非線性效應，如自聚焦和色散，可能導致脈沖畸變或器件損壞，因此為了避免這些問題，通常在放大前使用啁啾光纖布拉格光柵（Chirped Fiber Bragg Grating, CFBG）展寬器（如圖3）對脈沖進行展寬[6]，從而降低脈沖的峰值功率。這種處理不僅減弱了非線性效應，還能提高系統的穩定性和放大后的平均功率及脈沖能量。展寬的脈沖通過放大鏈路后，還需通過反向的CFBG或者脈沖壓縮衍射光柵對進行壓縮，以恢復其短脈寬，實現高峰值功率的輸出，適用于精密的科研和工業應用。
圖3 啁啾光纖布拉格光柵展寬器 4. 再生放大 圖4 飛秒激光再生放大示意圖[7]
再生放大作為一種激光放大方案，由于其對種子光進行多次放大的特點具有極高的增益，脈沖能量放大倍率可達106-107倍，同時諧振器的存在也能夠保證輸出光的基模特性，能夠實現較高光束質量的激光輸出[8, 9]。 再生放大結構主要包含： （1）普克爾盒：通過加壓與不加壓調節種子光偏振態，實現對種子光輸入、輸出的控制；
圖5 福晶科技的BBO普克爾盒 福晶科技可提供不同規格要求的BBO普克爾盒。產品可適用于不同的使用環境。由于BBO普克爾盒具有低振鈴效應，配合上自制驅動可實現1 MHz的重復頻率。此外，我們還提供水冷型或其他特殊附件定制。 表2 BBO普克爾盒的典型參考指標 （2）增益介質：吸收泵浦光，在種子光通過激光晶體時提供能量增益；
圖6 福晶科技提供的Yb系列超快激光晶體 Yb系列超快激光晶體，如 Yb:CALGO、Yb:CaF2、Yb:KGW、Yb:YAG等，是產生超短高功率脈沖的優良增益介質。該系列晶體在 980 nm 波長附近的吸收截面大且吸收帶寬，對泵浦輻射吸收效率高，能有效利用LD泵浦；其次，在近紅外波段發射譜帶寬，可以產生皮秒（Picosecond，ps）或者飛秒（Femtosecond, fs）級別的超短脈沖；此外該系列晶體有較高的熱導率，綜合以上幾點優勢，成為高功率二極管泵浦系統的首選材料。具有高光-光轉換效率的激光放大器是半導體泵浦飛秒（fs）激光器和放大器的重要潛在應用之一。 （3）反射鏡、PBS、波片等各類光學器件：控制光路，實現激光的輸入，振蕩與輸出以及超快激光的色散補償。
圖7 偏振分束器（PBS） 福晶科技提供各類飛秒激光色散補償方案，比如低群延時色散(GDD)和高反射率啁啾反射鏡可以有效的減小飛秒激光通過光學系統時產生的相位畸變；放置在諧振腔中的布魯斯特棱鏡可以有效補償腔內色散。 5. 行波放大 行波放大與再生放大相比，雖然增益較低，但因其結構簡單，在激光放大技術中具有顯著優勢。這種放大技術通常應用于再生放大后的激光系統中，進行進一步的多級行波放大處理。行波放大的這一特性使其在處理復雜激光系統中尤為重要，尤其是在需要維持激光系統的緊湊性和高效性時。Heist等人的研究表明，通過多級行波放大可以有效地控制由克爾非線性、群速度色散和增益耗盡等因素引起的光譜展寬和脈沖壓縮問題，從而在保證激光輸出質量的同時，提高整體系統的性能[10]。這種放大方法的應用，為激光放大技術的發展提供了更多可能性，特別是在高精度科研和工業應用中。
圖8 法拉第旋轉器 & 自由空間隔離器 行波放大過程的核心元器件是對激光起到放大作用的Yb摻雜激光增益晶體，此過程還需用到確保光信號的單向傳輸，同時抑制反向光的光隔離器。光隔離器能夠有效防止回反光導致的激光器不穩定、效率降低甚至敏感組件損壞。 我們采用高品質的磁光晶體，具有高維爾德常數、低吸收、高消光比、低損耗等特點，產品性能卓越、可靠，M2劣化小，最高峰值隔離度高達45 dB，可接受客戶定制。產品的最大工作平均功率可達500 W，波長范圍355 nm-4500 nm。 表3 法拉第旋轉器典型參考指標
表4 自由空間隔離器典型參考指標 6.透射式脈沖壓縮光柵—脈沖壓縮 在脈沖展寬和壓縮系統中，光柵是決定其性能的最關鍵部件之一。啁啾脈沖放大（CPA）技術被廣泛用于產生超短激光和高能量脈沖激光，脈沖壓縮光柵作為其核心元件，處于激光能量放大的終端。其原理：通過在透射光柵中進行傳播，有效地抵消光束中不同頻率成分的相位與時間延遲，從而實現對光脈沖的壓縮并提高峰值功率。壓縮光柵的帶寬、衍射效率和抗激光損傷閾值決定了壓縮脈沖的寬度和峰值功率。此外，當脈沖壓縮光柵作用在激光系統時亦可實現波長選擇和模式選擇。
圖9 透射式脈沖壓縮光柵 福晶科技生產的應用于1030 nm波長的介質膜透射式脈沖壓縮光柵通過投影光刻技術和離子束刻蝕技術加工而成，不含有任何有機材料，且該產品具有生產周期短、高衍射效率、低散射、高環境穩定性、高抗損傷、高性價比等優點。該產品基底材料以具有低吸收和高穩定性的熔融石英或Zerodur材料為主，亦可按客戶需求定制使用其他光學玻璃材料。福晶科技可針對本類型的產品提供從樣件設計到大批量生產的全過程解決方案。
福晶科技憑借30多年的經驗和先進技術深耕激光領域，為超快激光系統提供了一站式綜合解決方案，從研發到批量制造，確保產品的高品質和可靠性，持續滿足市場以及客戶在研發和生產中的需求，促進下游應用拓展，助力激光行業的發展革新。福晶科技始終致力成為光電行業發展的有力推動者。
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