文/Tony Lin

上個世紀90年代，商用鈦寶石超快激光器進入科學研究領域，產(chǎn)生了諸多新興應用。20多年來，隨著新一代緊湊型超快光纖激光器和半導體激光泵浦的固態(tài)超快激光器的出現(xiàn)，超快激光的應用已經(jīng)從醫(yī)學領域拓展到了工業(yè)生產(chǎn)線上�？赡艹�快激光最為人們熟知的應用就是材料的冷加工了，使用的脈寬約為200fs~10ps，這也實現(xiàn)了多年前人們對超快激光器的應用預期。[1-4 ]Gérard Mourou和Donna Strickland教授因為發(fā)明了啁啾脈沖放大（CPA）技術而獲得了2018年諾貝爾物理學獎，而CPA技術是超快激光實現(xiàn)更高能量輸出的技術基礎。本文將重點介紹緊湊型超快光纖激光器的獨特優(yōu)勢，及其在醫(yī)療和工業(yè)領域的應用。

超快光纖激光器的優(yōu)勢

上個世紀90年代，在固態(tài)超快激光技術蓬勃發(fā)展的同時，電信產(chǎn)業(yè)的繁榮也使光纖技術取得了巨大的技術創(chuàng)新。一些光纖器件的質量、壽命和價格都有了根本性的改進，包括泵浦半導體激光器、耦合器、光束組合器、旋轉器、布拉格光纖濾波器、調制器、探測器等。

在過去20年中，光纖技術的不斷進步使摻雜雙包層光纖（多模半導體激光泵浦以產(chǎn)生單模輸出）、更大芯徑的光纖（獲得更高的激光功率輸出），以及可設計的光子帶隙光纖的商業(yè)化成為可能。光纖技術的進步使千瓦級高功率光纖激光器的工業(yè)應用達到頂峰。利用先進的光纖技術，IPG Photonics等公司利用電信領域的創(chuàng)新來解決工業(yè)領域的高功率問題；Calmar Laser等公司則利用這些構建模塊來開發(fā)超快激光平臺。  

雖然摻雜光纖提供了高增益和緊湊設計的潛力，但其較小的纖芯直徑為超快激光脈沖的輸出提出了獨特的挑戰(zhàn)。較高的峰值功率會導致非線性效應，自相位調制會使光譜展寬，而自聚焦效應則會引起光學損傷。此外，激光脈沖在光纖內傳播時的色散效應會導致脈沖在時域展寬。

為了設計一款性能優(yōu)異的超快光纖激光器，必須在孤子脈沖整形過程中保持較低的脈沖能量，必須平衡色散和非線性效應，以保持輸出脈沖的時域和空域形狀。由于激光脈沖在石英光纖中引起的色散和非線性效應比較穩(wěn)定，因此在石英光纖中傳輸?shù)募す饷}沖也比較穩(wěn)定。此外，還需要一種性能可靠的啟動機制來誘導鎖模，并提供長期一致的性能。為了簡單起見，多數(shù)商用超快光纖激光器利用某種類型的飽和反射鏡實現(xiàn)被動鎖模，這種方法不再需要電子或機械組件。隨著腔內激光脈沖強度的增加，反射鏡的反射率會增加幾個百分點，并通過調控腔內增益來誘導強鎖模。Calmar公司專有的飽和反射鏡采用了與光纖隔離器相似的制造方法和材料，確保其堅固耐用。圖1a中顯示了超快光纖激光振蕩器的關鍵組成部分。

圖1：（a）超快光纖激光振蕩器的原理圖；（b）美國Calmar Laser公司小型化超快光纖激光器（Mendocino系列），輸出波長為780~1560nm。

Saturable reflector：飽和反射鏡

End mirror: 端面鏡

Pump laser：泵浦激光器

Gain fiber with soliton pulse shaping：帶有孤子脈沖整形的增益光纖

Filter：濾波器

Main output：主輸出

Monitor output：監(jiān)視器輸出

通過選擇不同類型的增益光纖，低功率超快光纖激光器可以提供各種波長的輸出，最常見的是摻鐿（Yb）光纖對應的1.0m輸出和摻鉺（Er）光纖對應的1.5m輸出。圖1b為Calmar公司的Mendocino系列激光器，其輸出脈寬可短至50fs，功率高達100mW，脈沖重復頻率范圍10~100MHz。通過光學優(yōu)化設計，可以輸出轉換極限的脈沖，脈沖襯底強度比主脈沖低20dB以上。脈沖的產(chǎn)生和整形都是在光纖中實現(xiàn)的，光纖本身很容易被卷曲和封裝在一個較小的體積內，因此光源本身非常緊湊和堅固�？諝饫鋮s、可靠的主動和被動遠距離通訊模塊，及第四代飽和反射鏡設計，這些因素綜合在一起，使得Mendocino系列激光系統(tǒng)實現(xiàn)了超過20000小時的使用壽命（見圖2）。因此，這種類型的光纖激光振蕩器已成為更復雜的高能量超快激光器的首選種子源。

圖2：配有Calmar公司第四代飽和反射鏡的Mendocino系列超快光纖激光振蕩器的功率測試圖，其壽命可超20,000小時。

Relative power：相對功率

Time（hours）：時間（小時）

緊湊型高功率設計

低功率超快光纖激光器也可以作為高功率光纖激光器的種子源。圖3a為 Carmel X系列高功率超快激光源的設計圖，圖中包括一個摻Er全光纖CPA設計。在這個示例中，種子光和放大器被封裝在一個風冷的機架式安裝的控制器中。1.5m激光脈沖首先通過色散效應展寬（啁啾），放大后通過光纖傳輸?shù)匠�緊湊的激光頭，然后脈沖被壓縮并通過倍頻效應實現(xiàn)780nm的激光脈沖輸出。

這個超快光纖激光系統(tǒng)，在體積上，要比具有類似輸出功率水平的鈦寶石超快激光器小100倍以上。Carmel X-780型號的超快光纖激光器，脈沖寬度小于90fs，功率大于1W，適用于多種超快應用，包括生物成像、雙光子顯微光譜、光學計量、3D納米打印、太赫茲成像、眼科應用等。

圖3：（a）緊湊型全光纖放大超快激光系統(tǒng)原理圖，輸出功率大于1W；（b）Carmel x系列激光器，由機架式安裝的控制器和超緊湊激光頭組成，輸出波長為780nm，功率大于1W，脈寬小于90fs。

Controller：控制器

Seed laser：種子激光器

Pulse stretcher：脈沖展寬器

Fiber amplifier：光纖放大器

Fiber delivery：光纖傳輸

Pulse compressor：脈沖壓縮器

Laser head：激光頭

Second harmonic generation：二次諧波產(chǎn)生

如今，超快光纖激光器已經(jīng)非常成熟，可以做成黑箱設備，這樣原始設備制造商（OEM）和系統(tǒng)集成商就可以將它們集成到各種設備中。超快光纖激光器的高電光轉化效率、良好的機械性能（結構緊固、尺寸�。�、瞬時開啟、高穩(wěn)定性和可靠性等性能，使其非常適合工業(yè)和醫(yī)療應用。

太赫茲成像和光譜應用

超快光纖激光器用于太赫茲成像的一個典型的案例就是TeraView公司的TeraPulse Lx系統(tǒng)，這是一套臺式太赫茲光譜儀和成像系統(tǒng)，其通過材料對太赫茲波段的反射率和透射率測量，實現(xiàn)對材料的表征（見圖4a）。這款太赫茲成像系統(tǒng)的核心部件是一臺緊湊的780nm飛秒光纖激光器，與激光控制的光導發(fā)射器一起，提供帶寬范圍大于60GHz-6THz的太赫茲光源，信噪比高于95dB。

圖4：（a）TeraPulse Lx光譜儀和成像系統(tǒng)使用超快光纖激光器作為其驅動引擎；（b）在30GHz~3THz頻率范圍內測量聚四氟乙烯樣品的介電常數(shù)（矢量網(wǎng)絡分析方法只在離散頻帶測量材料信息[6]）。

Dielectric constant：介電常數(shù) 

Frequency：頻率

TDS data at different temperature：不同溫度的TDS數(shù)據(jù)

VNA data for different materials：不同材料的VNA（矢量網(wǎng)絡分析）數(shù)據(jù)

研究人員在探索6G無線通信技術時，太赫茲波段受到了很多關注。盡管5G通信正在推進，但是要實現(xiàn)超過1Tbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，并支持持續(xù)增長的高帶寬應用，[6]就要開發(fā)新的器件、探測器、電路等，并對6G頻率下的材料進行表征。圖4b展示了太赫茲時域光譜儀的優(yōu)點，該光譜儀能在30GHz~3THz范圍內測量高性能電絕緣體聚四氟乙烯的介電常數(shù)。而傳統(tǒng)的矢量網(wǎng)絡分析方法，只能測量一些離散頻帶對應的材料信息。

雙光子顯微光譜

在生物醫(yī)學領域，德國JenLab公司擁有先進的基于近紅外飛秒激光的雙光子顯微技術，可用于人體皮膚無標記高分辨率活體成像，這種技術被稱為多光子層析成像技術（MPT）。而這款臨床成像系統(tǒng)的最初設計是基于鈦寶石超快激光器的，需要水冷和復雜的鉸接光學傳輸系統(tǒng)。而在使用了超快光纖激光器后，JenLab推出了多模態(tài)小型MPT成像系統(tǒng)（見圖5a），[7]該系統(tǒng)無需水冷，可以自由移動，實現(xiàn)實時光學活檢。

該系統(tǒng)有一個固定波長為780nm、脈寬為80fs的激光模塊，直接集成到360°可旋轉的測量頭中，無需光學傳輸系統(tǒng)。該小型MPT成像系統(tǒng)目前正在進行臨床試驗，提供不同的體內成像方式，包括雙光子激發(fā)自體熒光（AF）成像，用于光學代謝成像（OMI）的熒光壽命成像（FLIM），膠原蛋白的二次諧波成像以及共聚焦反射顯微成像（見圖5b）。

圖5：（a）JenLab的多模態(tài)小型MPT成像系統(tǒng)；（b）體內多模態(tài)多光子層析成像（MPT）示例，左上角為待檢皮膚的白光視圖，右上為雙光子成像疊加圖，下方為典型的四種成像方式獲得的平面圖像，從左上角按順時針方向分別為自熒光成像、熒光壽命成像、高次諧波成像和共聚焦反射成像。[7]

3D納米打印

另一種能夠實現(xiàn)亞微米分辨率的多光子技術是雙光子聚合（2PP）。雙光子聚合可以制備復雜的3D形狀，實現(xiàn)多種應用，包括光子元件、再生醫(yī)學支架、微流控元件和微機電系統(tǒng)（MEMS）等。奧地利UpNano公司是開發(fā)新型超快高分辨率雙光子聚合 3D打印系統(tǒng)的先驅。該公司研發(fā)的首臺高分辨率3D桌面打印系統(tǒng)——NanoOne，使用的就是輸出功率為1W、波長為780nm的小型超快光纖激光器（見圖6）。

NanoOne專門用來打印樣件和微小元件的小批量生產(chǎn)。不同于市場上的其他3D打印系統(tǒng)，這款打印機分辨率高，制造速度快，打印的尺寸范圍也比較大。小型化的高功率超快光纖激光器使這款打印機能夠桌面化，并且隨著掃描速度的提高，桌面打印機的效率能夠提升一百倍。

圖6：（a）NanoOne高分辨率3D桌面打印系統(tǒng)；（b）NanoOne 3D納米打印樣件，從左上角順時針方向分別為：微過濾器結構、微針、微流控和微機械元件。

從以上案例可以看出，低能量超快激光在計量、診斷、測試測量等領域的應用越來越廣泛。值得慶幸的是，如今超快光纖激光器的性能、壽命、價格以及可靠性，都已經(jīng)可以迎接商業(yè)化應用提出的新挑戰(zhàn)。

參考文獻

1. B. Craig, “Ultrafast pulses promise better processing of fine structures,” Laser Focus World, 34, 9 (1998).

2. J. Hecht, “Photonic Frontiers: Ultrafast laser processing: Ultrafast lasers make ultraprecise tools,” Laser Focus World, 48, 5 (2012).

3. T. Gunaratne and W. Clark, “Ultrashort pulse laser micromachining: History and future opportunities,” Industrial Laser Solutions, 29, 2 (2014).

4. M. Malinauskas et al., Light Sci. Appl., 5, e16133 (2016).

5. A. Thoss, “Nobel Prize 2018 awarded for groundbreaking inventions in the field of laser physics,” Laser Focus World, 54, 10 (2018).

6. “Towards 6G—materials and system characterization tools,” TeraView white paper, 2020.

7. K. König et al., Proc. SPIE, 11211, 112110E (Feb. 2020); doi: 10.1117/12.2542322.