雖然超快（皮秒和飛秒）激光器只是激光器應(yīng)用于當(dāng)今工業(yè)界和醫(yī)療界（如加工玻璃用于智能手機(jī)屏幕和激光眼科手術(shù)）的一個(gè)重要部分，但是超快科學(xué)激光器在研究領(lǐng)域的應(yīng)用卻非同一般。事實(shí)上，科學(xué)研究是所有類型激光器的開始，恰恰超快激光器也是從研究項(xiàng)目開始的。
圖1 超快激光器演變過程，從最初的染料激光器到最近的固態(tài)和光纖激光器
圖2 相干公司的Astrella泵浦OPA產(chǎn)生寬帶紅外脈沖從2.6～11μm可調(diào)諧
圖3 銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏電池的電流圖表征損害斑點(diǎn)和表面變化
超快科學(xué)激光器的類型包括振蕩器和放大器，兩者都可以采用大塊的或光纖器件構(gòu)建。采用光纖制造可以實(shí)現(xiàn)小型、堅(jiān)固的超快科學(xué)激光器，雖然光纖有很多亟待解決的內(nèi)在問題：高峰值功率以及纖維經(jīng)過高強(qiáng)度使用引起的光學(xué)損傷或非線性光學(xué)效應(yīng)。然而，后者在某些情況下經(jīng)過善加利用的突出例子是超連續(xù)光源，依賴于光纖非線性特性輸出高亮度寬帶光。
超快科學(xué)激光器類別包括產(chǎn)生超短飛秒脈沖的商用激光器，這種激光器通常依靠成熟技術(shù)產(chǎn)生高質(zhì)量脈沖，如載波包羅相位（CEP）穩(wěn)定，確保每個(gè)周期脈沖的相位被正確校準(zhǔn)在脈沖包絡(luò)里。為了產(chǎn)生不損傷放大器內(nèi)器件的高能放大飛秒脈沖，啁啾脈沖放大（CPA）利用色散元件在脈沖進(jìn)入放大器之前在時(shí)間上延展種子脈沖，經(jīng)過放大之后高能脈沖被時(shí)域壓縮。
超快激光器的歷年演變可以參見德國光纖超快激光器供應(yīng)商Toptica公司提供的表格，第一臺(tái)超快激光器基于染料增益介質(zhì)，價(jià)格昂貴，性能不穩(wěn)定，而基于固體增益介質(zhì)的激光器，如鈦藍(lán)寶石激光器，基于光纖的商用激光器具有較高的可靠性及合理成本（如圖1所示）。
圖1 超快激光器演變過程，從最初的染料激光器到最近的固態(tài)和光纖激光器
超快光纖激光器
“Toptica生產(chǎn)的皮秒和飛秒被動(dòng)鎖模光纖激光器增益介質(zhì)采用光纖摻鐿（Yb）和鉺（Er），”Toptica總裁Wilhelm Kaenders說，“多年以來，我們一直采用保偏光纖及飽和吸收器技術(shù)，目前有些光纖解決方案的使用壽命已經(jīng)超過30000小時(shí)。”公司的激光器發(fā)射波長包括780、1030、1064、1550nm。
Kaenders指出Toptica激光器的高連續(xù)操作時(shí)間可以用于特殊用途，如太赫茲生成、多光子顯微鏡、雙光子聚合，以及時(shí)間分布的精密光學(xué)時(shí)鐘。該激光器產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時(shí)間從40fs到10ps，甚至還能與主動(dòng)重復(fù)率同步，質(zhì)量特別適于頻率梳的產(chǎn)生。頻率梳的許多科學(xué)用途包括等離子體滅菌測量、發(fā)現(xiàn)外流星、超精密時(shí)間信號轉(zhuǎn)換、微量氣體檢測、絕對距離測量干涉。
由于體積小，超快光纖激光器可以作為鈦藍(lán)寶石放大器的優(yōu)秀種子光源。例如，Continuum公司制造的Q-Light-PM是一款小型、尺寸為459.99999999999994px×392.5px×162.5px的堅(jiān)固盒子，包含一個(gè)摻鉺光纖激光器發(fā)射線偏振光倍頻到780nm波段、光束質(zhì)量（M2）為1.2或更高，脈沖持續(xù)時(shí)間110fs或更短，重復(fù)頻率30～40MHz，平均功率10mW左右；盒子里還包括電控制器。除了作為鈦藍(lán)寶石放大器種子源，激光器還可以用于成像處理和生物醫(yī)學(xué)研究。
鈦藍(lán)寶石
與激光器其他增益材料相比，鈦藍(lán)寶石具有較寬的增益帶橫跨680～1100nm，由于光譜帶寬和脈沖寬度之間的傅里葉變換，產(chǎn)生超短脈沖需要較大的帶寬。因此，最短的激光脈沖通常由鈦發(fā)射。
相干公司生產(chǎn)線高級經(jīng)理Nigel Gallaher介紹，相干公司制造三種類型的超快科學(xué)激光器：振蕩器、放大器及為多光子顯微鏡優(yōu)化的特種振蕩器，連同定制這些裝置的輔助程序一起，如可調(diào)諧光參量振蕩器和放大器、諧波發(fā)生器、其他頻移模式。
Gallaher介紹了工業(yè)用鈦藍(lán)寶石激光器是如何助力超快科學(xué)激光器發(fā)展的。“傳統(tǒng)上，性能和操作簡便性/可靠性之間有一種廣泛被接受的協(xié)定，如果你想要更高級的性能，親自動(dòng)手操作超快激光器即可，但是在過去的兩到三年里，這些確實(shí)改變了。特別是，我們最終實(shí)現(xiàn)了極端性能和工業(yè)級簡單性和可靠性的融合，相干公司把它叫做超快科學(xué)的產(chǎn)業(yè)革命。這種產(chǎn)業(yè)革命的一個(gè)重要方面是通過長期用于其他產(chǎn)業(yè)的最終測試方案來實(shí)施嚴(yán)格高度加速壽命測試和高度加速應(yīng)力篩選（HALT/HASS）的開發(fā)。”
作為一個(gè)例子，Gallaher提到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品Vitara UBB超高速振蕩器，脈沖寬度小于8fs，小巧封裝帶來領(lǐng)先優(yōu)勢性能，可以連續(xù)工作幾千個(gè)小時(shí)。
相干公司產(chǎn)品線經(jīng)理Joseph Henrich介紹，公司的Astrella鈦藍(lán)寶石放大器是另外一個(gè)例子，我們的箱式放大器產(chǎn)品的最新詮釋是輸出高度放大脈沖重復(fù)頻率達(dá)千赫茲僅封裝在一個(gè)盒子里，包括Vitara種子振蕩器、延伸-壓縮器、最新放大器泵浦激光器以及再生放大器。Astrella因單一盒裝放大器設(shè)計(jì)并采用嚴(yán)格的HALT/HASS協(xié)議檢測而受到廣泛關(guān)注。放大器的CPA延伸-壓縮機(jī)裝在一個(gè)密封盒內(nèi)，不需要用戶干擾。
放大器發(fā)射脈沖能量為6mJ，脈沖寬度可選小于35fs或100fs，35fs脈寬轉(zhuǎn)換成峰值功率170GW，實(shí)現(xiàn)這一功率無需鈦藍(lán)寶石增益晶體的熱電冷卻。典型應(yīng)用于各種光譜，包括振動(dòng)、電子、太赫茲以及通過高次諧波產(chǎn)生X射線研究電子核，產(chǎn)生阿秒光脈沖的技術(shù)。
例如，Astrella放大器在二維紅外（2DIR）光譜中的應(yīng)用。Henrich介紹說傳統(tǒng)的紅外吸收光譜通常是通過傅里葉變換紅外（FTIR）儀獲得的，每個(gè)峰值對應(yīng)一個(gè)不同的分子振動(dòng)，但是沒有頻譜信息描述振動(dòng)之間的關(guān)系。2DIR利用兩個(gè)獨(dú)立波長（泵浦和探測）揭示了這些關(guān)系并繪制了正交軸兩個(gè)波長的數(shù)據(jù)。如果一個(gè)2DIR光譜是同一類成對峰值的混合記錄，會(huì)產(chǎn)生非對角交叉峰值。2DIR被證明是生命科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)非常重要的工具，具備研究生物分子之間聯(lián)系和互動(dòng)的獨(dú)特能力；例如，蛋白酶結(jié)合以及蛋白質(zhì)折疊展開（如圖2所示）。
圖2 相干公司的Astrella泵浦OPA產(chǎn)生寬帶紅外脈沖從2.6～11μm可調(diào)諧
CEP穩(wěn)定性
Femtolasers公司已將CEP穩(wěn)定性作為超快振蕩器和放大器的一個(gè)重要特征。該公司聲稱已開辟了第三代CEP技術(shù)，可以將CEP鎖定在一個(gè)完整的工作日內(nèi)，而傳統(tǒng)的第一代CEP技術(shù)僅能將CEP鎖定在幾十分鐘的時(shí)間長度內(nèi)。公司還表示第四代CEP技術(shù)將采用“直接前饋”方式，可以將CEP鎖定在無限時(shí)間內(nèi)。阿秒科學(xué)研究人員和其他高次諧波產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)將會(huì)受益。
光譜物理公司設(shè)立了超快激光器的整套生產(chǎn)線，包括振蕩器、放大器和單波長激光器。公司的InSight DS+系統(tǒng)，其目標(biāo)是體內(nèi)多光子顯微鏡科學(xué)應(yīng)用，無間隙調(diào)諧范圍從680～1300nm，擴(kuò)大波長范圍可以實(shí)現(xiàn)更深入的體內(nèi)成像。色散預(yù)補(bǔ)償確保亞100fs脈沖，通過顯微鏡傳輸?shù)奖粰z樣品。
按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的激光器系統(tǒng)，還可以具有為不同類型熒光同時(shí)成像的雙同步光束、二次和三次諧波成像、兩束同步輸出光使各種熒光團(tuán)（GFP/YFP和mCherry）簡易同步成像、SHG/THG成像、以及先進(jìn)成像技術(shù)，如相干反斯托克斯拉曼光譜學(xué)（CARS）和受激拉曼散射（SRS）。
瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的超快激光物理研究組成立的分公司Time-Band width Products公司，目前歸屬于JDSU，生產(chǎn)制造二極管泵浦鈦藍(lán)寶石和其他固態(tài)超快激光器，采用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）技術(shù)實(shí)行被動(dòng)鎖模，根據(jù)不同的設(shè)置可以輸出脈沖持續(xù)時(shí)間在飛秒和皮秒范圍的脈沖。
該公司的Tiger鈦藍(lán)寶石激光器輸出150fs脈沖，能量高于25nJ，單束脈沖重復(fù)頻率4.1MHz，光束質(zhì)量因數(shù)為1.1。科學(xué)應(yīng)用包括泵浦探測實(shí)驗(yàn)、多光子顯微鏡、非線性實(shí)驗(yàn)和時(shí)間分辨光譜。
各種超快選擇
實(shí)際上固態(tài)超快科學(xué)激光器沒有必要一定是鈦藍(lán)寶石激光器，例如，Time-BandwidthProducts公司制造了釹玻璃（Nd：glass）激光器發(fā)射有限轉(zhuǎn)換亞200fs脈沖，波長1058nm范圍（從1053～1064nm可調(diào)諧），平均功率400mW，用戶可自定義，固定脈沖重復(fù)頻率介于70~150MHz，與鈦藍(lán)寶石科學(xué)激光器能達(dá)到相同的目標(biāo)。此外，公司還生產(chǎn)鐿基超快激光器發(fā)射亞200fs脈沖，波長1030～1040nm范圍，適用于生物成像。
對于非鈦藍(lán)寶石超快激光器，相干的Gallaher指出“產(chǎn)業(yè)中另外一個(gè)有趣的趨勢是鐿基超快激光器將成為鈦藍(lán)寶石的第一個(gè)取代者。我們的變色龍?zhí)剿骷す馄骶褪且粋€(gè)例子，可調(diào)諧范圍從680~1300nm比鈦藍(lán)寶石激光器調(diào)諧范圍寬，次級輸出固定在1040nm波段，是需要兩種不同超快波段的光遺傳學(xué)顯微鏡實(shí)驗(yàn)的理想解決方案。”
卡普坦-默南實(shí)驗(yàn)室也正在擴(kuò)大其技術(shù)包括大型鐿基超快激光器，雖然公司以鈦藍(lán)寶石激光器聞名，但是開發(fā)兩者的目的都是科學(xué)研究。例如，翼龍?jiān)偕亴毷糯笃骺梢缘蜏乩鋮s到50K，該公司表示消除熱透鏡可提升功率處理容量兩個(gè)數(shù)量級。
其極紫外超快光源（XUUS）高次諧波生成系統(tǒng)利用中空波導(dǎo)將超快紅外脈沖轉(zhuǎn)換為極紫外（EUV）光或軟X射線頻段。
最新版的翼龍-500是與XUUS高次諧波系統(tǒng)配對優(yōu)化，在30kHz處，翼龍-500-HHG發(fā)射45fs、300μJ（平均功率9W）脈沖到XUUS毛細(xì)管波導(dǎo)，氬氣加壓產(chǎn)生相干EUV脈沖，光子能量達(dá)到43eV。這些EUV脈沖是研究材料中動(dòng)態(tài)電子的光電能譜儀的理想解決方案。
超連續(xù)光譜生成
超連續(xù)光源與超快激光器（通常是光纖激光器）和光纖結(jié)合，可以形成一個(gè)微結(jié)構(gòu)或光子晶體光纖（PCF），為引起超連續(xù)光譜的非線性效應(yīng)而制作一個(gè)非常小的纖芯直徑，跨越兩個(gè)以上光譜倍頻程。
Fianium公司生產(chǎn)系列超連續(xù)激光器，光輸出功率范圍跨越200mW到20W，“低功率系統(tǒng)在預(yù)算有限的寬帶光譜應(yīng)用領(lǐng)域找到了牽引力，而高功率系統(tǒng)成為更加耗電應(yīng)用領(lǐng)域的有用工具，”最近開發(fā)的OEM光源平均輸出功率達(dá)到10W提供了低價(jià)版400～2400nm全頻譜范圍。Fianium公司還提供UV或IR優(yōu)化頻譜內(nèi)容選擇，以及可調(diào)諧濾波器陣列用于將寬帶激光器轉(zhuǎn)換成高度可調(diào)諧單波長光源。
用途包括熒光成像、熒光壽命成像顯微術(shù)、OCT、流式細(xì)胞術(shù)、超高分辨率顯微鏡、納米光子學(xué)表征和寬帶光譜。
圖3 銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏電池的電流圖表征損害斑點(diǎn)和表面變化
在20W，F(xiàn)ianium公司的White Laser SC480-20是目前市場上功率最強(qiáng)大的超連續(xù)白光光纖激光器。具備這樣的高功率能力，開辟了新的應(yīng)用空間如可調(diào)諧流式細(xì)胞儀和NIR光譜分析，等等。這些應(yīng)用通常限制在單波長光源，有時(shí)也限制在非理想頻譜區(qū)。隨著功率超過10mW/nm、頻譜超過480～2500nm的激光器的開發(fā)，這些應(yīng)用不再受限于單波長光源而變得真正可調(diào)諧，并且所有頻譜變得可用。
美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所開發(fā)的一種日光模擬器采用Fianium超連續(xù)譜光源使太陽能電池具有了前所未有的特性，它能夠生成一個(gè)動(dòng)態(tài)輻射光譜，模擬當(dāng)日時(shí)間內(nèi)、年份、地理位置和天氣條件的變化。與燈基模擬器不同的是照明提供準(zhǔn)直輸出，像太陽光一樣，還可以聚焦到顯微鏡上微米量級的光點(diǎn)。這一點(diǎn)式照明功能為研究人員開發(fā)光電器件創(chuàng)造了高分辨率二維有效圖畫。
任意可編程光譜和小焦點(diǎn)都特別適用于測試多結(jié)聚光太陽能電池，其中必須有各自連接點(diǎn)獨(dú)立研究優(yōu)化性能。聚光太陽能電池已經(jīng)通過NIST測試，照明量超過500個(gè)太陽日。
NKT光子公司不僅生產(chǎn)超連續(xù)光源，還生產(chǎn)可以安裝在平移臺(tái)上的圓柱鋁設(shè)備。用戶可以將femtoWHITE設(shè)備和自身的超快激光器結(jié)合生產(chǎn)超連續(xù)光譜。這些設(shè)備有兩種類型，一種產(chǎn)生倍頻白光輸出，另外一種是為CARS應(yīng)用量身定制的雙峰輸出。
公司的SuperK至尊超連續(xù)激光器，也可以作為全套裝置提供不同輸出光譜版本。藍(lán)光系列應(yīng)用要求波長小于450nm，白光系列應(yīng)用范圍從460～2400nm要求高可見光功率，紅光系列提供近紅外最強(qiáng)的光應(yīng)用于體內(nèi)成像和OCT。紫羅蘭SuperK至尊系列發(fā)射波長400～2400nm光。此外，紫外光譜擴(kuò)展單元提供270～400nm深紫外波段，用于蛋白質(zhì)的固有熒光激發(fā)以及紫外線激發(fā)熒光探針。
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