一文看懂超快激光器

激光科技 232 2024-07-31

想象一下，试着用手机给蜂鸟拍照。就在你按下捕捉按钮的时候，蜂鸟飞走了，在你的屏幕上只留下一片模糊。你的手机摄像头根本不够快，无法捕捉到飞行中蜂鸟的清晰图像。

类似的挫折和限制促使科学界开发出脉冲持续时间短的超快激光器，脉冲持续时间约为飞秒到皮秒（10-15-10-12s）。这些激光不是用来捕捉飞行的蜂鸟，而是用来捕捉更快的事件，如分子振动、电子运动，甚至量子现象。在十亿分之一秒的时间尺度上，超快激光扩大了我们对基本物理现象的了解，并彻底改变了工业过程。了解超快激光器的独特特性、这类系统面临的关键挑战以及解决这些挑战的可用解决方案，使系统设计师能够选择正确的超快光学器件，并创造成功的超快光学元件。

超快激光器的独特特性

超快激光器的超短脉冲持续时间赋予了这些系统独特的特性，使其区别于长脉冲或连续波（CW）激光器。为了产生这样的短脉冲，必须具有宽的频谱带宽。脉冲形状和中心波长定义了生成特定持续时间的脉冲所需的最小带宽。通常，这种关系由时间带宽乘积（TBP）来描述，它源于不确定性原理。具有高斯分布的脉冲的TBP由下式给出：
  TBPGaussian=ΔτΔν≈0.441 (1)
Δτ是脉冲的时间持续时间，Δv是频率带宽。从根本上讲，该方程表明频谱带宽和脉冲持续时间之间存在倒数关系，这意味着随着脉冲持续时间的减少，产生该脉冲所需的带宽增加。图1展示了支持几种不同脉冲持续时间所需的最小带宽。

图1：支持10 ps（绿色）、500 fs（蓝色）和50 fs（红色）激光脉冲所需的最小光谱带宽
除了宽频谱带宽之外，超短脉冲持续时间的另一个特征是其令人难以置信的高峰值功率，这虽然在许多应用中非常有益，但可能会带来一些独特的挑战。作为上下文，让我们检查10 WCW激光器的峰值功率输出与具有150 fs脉冲持续时间和80 MHz重复率的10 W超快激光器的峰值功率输出的差异。这种理论上的超快激光器的特性对于许多商业上可用的超快激光器来说是常见的。

对于CW激光器，平均功率和峰值功率是相同的，激光器总是发射10 W或10 J/s。对于超快激光器，平均功率仍然是10 W，就像连续激光器一样。然而，超快激光器仅在很短的时间内发射10 W的平均功率。图2展示了平均功率和峰值功率之间的显著差异。


图2：具有脉冲持续时间t的激光器的平均功率Pavg和峰值功率Ppeak的描述
对于超快激光器，10 W的平均功率根据重复率分布在每秒发射的8000万个脉冲上。乍一看，这种激光器的亚微焦耳脉冲能量可能看起来很小，微不足道。然而，当考虑到这种能量在时间上仅被浓缩为150 fs时，实现了超过800000 W的巨大峰值功率。这比平均功率大了四个多数量级！虽然这些极高的峰值功率和短脉冲持续时间正是使超快激光器能够彻底改变各种应用的特性，但这些特性也带来了使用超快激光器的一些独特技术挑战。
超快激光器的技术挑战
超快激光器的宽光谱带宽、高峰值功率和短脉冲持续时间必须在您的系统中得到妥善管理。通常，要解决的这些挑战中最简单的一个是激光器的宽光谱输出。如果你过去的工作主要是使用更长的脉冲或CW激光器，那么你现有的光学组件库存可能无法反射或传输超快脉冲的全部带宽。Edmund Optics®拥有各种各样的超快光学器件，专门为这些要求苛刻的超快系统量身定制。
激光损伤阈值
超快光学器件的激光损伤阈值（LDT）也与更传统的激光源明显不同，更难导航（图3）。当为纳秒脉冲激光器采购光学器件时，LDT值通常在5-10 J/cm2的数量级上。对于超快光学器件，如此大的值实际上是闻所未闻的，因为LDT值更有可能在<1 j="">
对于不同的脉冲持续时间，LDT幅度的这种显著变化是基于脉冲持续时间的激光损伤机制的结果。对于纳秒激光或脉冲更长的激光，导致损伤的主要机制是热加热。光学器件的涂层和基底材料吸收入射光子并加热。这可能会导致材质晶格变形。热膨胀、开裂、熔化和晶格应变等效应是这些类型激光源的常见热损伤机制。
图3：激光对光学表面的损伤，如图所示，会降低激光系统的性能，使其变得无用，甚至是危险的。由于脉冲持续时间短，使用超快激光器时的损伤机制与使用较长脉冲激光器时的损坏机制显著不同。
然而，对于超快激光器，脉冲持续时间本身比从激光器到材料晶格的热传递的时间尺度更快，因此，热效应不是激光诱导损伤的主要原因（图4）。相反，超快激光的高峰值功率将损伤机制转变为多光子吸收和电离等非线性过程。这也是为什么人们不能简单地将纳秒脉冲的LDT额定值缩小到超快脉冲的LDT额定值，因为损伤的物理机制不同。正因为如此，适合您特定应用的最佳光学器件将是在相同的使用条件下（如波长、脉冲持续时间和重复频率）获得的具有足够高LDT额定值的光学器件。在不同条件下测试的光学器件不能代表系统中相同光学器件的实际性能。
图4：不同脉冲持续时间的激光诱导损伤机制
色散与脉冲扩展：群延迟色散

使用超快激光器时遇到的最困难的技术挑战之一是保持激光器最初发射的超短脉冲持续时间。超快脉冲极易受到时间失真的影响，时间失真使脉冲变长。这种效果随着初始脉冲持续时间的缩短而变得更糟。虽然超快激光器可以发射持续时间为50 fs的脉冲，但使用反射镜和透镜将该脉冲中继到目标位置，甚至只是通过空气传输脉冲，有可能在时间上加宽脉冲。
这种时间失真是使用称为群延迟色散（GDD）的度量来量化的，该度量也称为二阶色散。事实上，也有更高阶的色散项可能会影响超快激光脉冲的时间分布，但在实践中，检查GDD的影响通常就足够了。GDD是一个与频率相关的值，对于给定的材料，它与厚度成线性比例。像透镜、窗口和物镜组件这样的透射光学器件通常具有正的GDD值，这表明一旦压缩的脉冲可以使透射光学部件具有比从激光系统发射的更长的脉冲持续时间。较低频率（即，较长波长）分量比脉冲的较高频率（即较短波长）分量传播得更快。随着脉冲穿过越来越多的材料，脉冲中的波长将继续在时间上延伸得越来越远。对于较短的脉冲持续时间，以及因此较宽的带宽，这种效应被进一步夸大，并可能导致脉冲的显著时间失真。
对于具有纳秒甚至皮秒脉冲持续时间的较长脉冲，GDD不是主要问题。然而，对于较短的飞秒脉冲，即使光束路径中有一块10 mm厚的N-BK7，也可以将以800 nm为中心的50 fs脉冲加宽12%以上，这大致相当于光束路径中有两个窗口或滤波器。
GDD对应用程序的影响取决于几个因素，包括输入脉冲持续时间（τinput）、中心频率（或波长）和脉冲传播的材料。GDD引起的时间拉伸由
（2）

等式2清楚地表明，对于相同的GDD值，与较长的输入脉冲持续时间相比，较短的脉冲持续时间将更显著地加宽。这就是为什么GDD没有在纳秒或皮秒脉冲的背景下进行讨论的原因。例如，只需20000 fs2的GDD就可以将1 ps的脉冲加宽0.2%。以下段落中的示例表明，这相当于将1030 nm的脉冲传播到超过1 m的熔融二氧化硅中。

材料的折射率取决于穿过它的光的频率，GDD对折射率也有类似的依赖性。当选择透射和折射光学器件用于超快系统时，通常建议使用熔融二氧化硅，因为它在可见光和近红外波长范围内具有最低的GDD值之一。例如，通过1 mm的熔融二氧化硅传播1030 nm脉冲将产生约19 fs2的GDD，但在相同波长下，1 mm的SF11将导致超过125 fs2的GDD。折射率数据库，如refractivendex.info，是确定哪种材料是光学器件的最佳选择以及您在光束路径中积累的GDD的有用资源。

由于这种正向GDD和时间失真的趋势，强烈建议使用专门的超快光学器件，这种光学器件几乎不会产生额外的GDD，从而减少延长脉冲持续时间的机会。
如何知道你是否需要脉冲压缩？
什么时候需要（重新）压缩激光脉冲？多光子显微镜等超快成像应用中的模糊图像表明脉冲可能在时间上拉伸。在超快激光加工中，脉冲拉伸会导致切割精度降低和精度降低。延长脉冲持续时间降低了多光子相互作用的概率，从而降低了超快系统的效率。虽然不可能为每种情况提供严格而快速的规则，但下面的示例计算有助于演示确定是否需要脉冲压缩的一些最佳实践。
考虑一个多光子显微镜设置，光束路径如图5所示。
图5：多光子显微镜实验中光束路径的示例示意图
脉冲延伸量的一阶近似值可以通过在激光到达样品之前对系统中所有元素的GDD贡献求和来获得。让我们假设色散的主要贡献者将是光束扩展器、二向色滤光片和聚焦物镜。我们将忽略扫描仪反射镜的影响，因为它们通常由低GDD金属涂层制成。如果脉冲以1030 nm的波长为中心，该系统可以容易地添加超过600 fs2的GDD。

系统中的脉冲是否需要压缩取决于输入脉冲持续时间和应用程序的特定需求。如果从150 fs脉冲开始，通过光学器件传输对脉冲持续时间的影响可以忽略不计。然而，如果您的应用程序需要只有10 fs激光脉冲才能达到的时间分辨率，那么这个GDD量将使您的初始脉冲扩展到大约167 fs。在这种情况下，需要重新压缩。这些确切的细节在很大程度上取决于您的特定光束路径和应用。有关为您的脉冲持续时间和应用选择最佳光学组件的指导，请联系我们。
脉冲压缩方法
在需要（重新）压缩超快激光脉冲的情况下，有几种不同的方法。以下各节概述了脉冲（再）压缩的几种常见技术，包括优点和缺点。
棱镜和光栅压缩器
由于色散或不同波长的折射率差异，棱镜通过对脉冲的各种频率分量施加与频率相关的延迟来压缩超快脉冲持续时间（图6）。由此产生的光路差在时间上对准脉冲的不同波长。光栅压缩器使用类似的机制压缩脉冲，但它们依靠衍射而不是折射来不同地处理波长并重新压缩脉冲。然而，棱镜和光栅压缩器都可能难以对准，并且它们可能对脉冲施加更高阶的色散，从而进一步扭曲它们的时间分布。
图6：虽然棱镜和光栅可以用于脉冲压缩，但与高色散镜相比，它们面临着许多缺点，这将在后面讨论。
优点
  • 能够实现高强度GDD
  • 通常具有小入射角的特点，用于多个反射镜之间的多次反射
  • 与棱镜和光栅相比易于对齐
  • 不需要像互补啁啾镜一样成对使用
  • 通常具有高反射率，因此在整个系统中产生较少的光损失
缺点
  • 仅提供不可连续调谐的GDD的整体步骤
  • 受其指定带宽的限制
  • 高色散反射镜是补偿固定系统中大量GDD的理想选择。高色散反射镜的样品反射率和GDD曲线如图10和图11所示。
图10：除了用于超快脉冲压缩的负色散之外，高色散反射镜还提供高反射率，以最大限度地提高吞吐量。
图11：与啁啾反射镜相比，超快高色散反射镜提供了高幅度的负GDD，其波长相关振荡要小得多。
何时以及如何重新压缩超快激光脉冲的决定在很大程度上取决于应用，但了解不同方法及其优缺点的基本知识会让您领先。再次，请联系我们，以获得有关为您的系统确定最佳脉冲压缩方法的指导。
超快激光应用
光谱学
自从引入超快激光源以来，光谱学一直是其主要应用之一。通过将脉冲持续时间缩短到飞秒甚至阿秒，物理、化学和生物学中历史上不可能观察到的动态过程现在可以访问了。其中一个关键过程是原子运动，观察到这一点提高了对基本过程的科学理解，如分子振动、分子离解和光合蛋白质中的能量转移。
生物成像
超快激光器的高峰值功率支持提高生物成像分辨率的非线性过程，如多光子显微镜（图12）。在多光子系统中，为了从生物介质或荧光目标产生非线性信号，两个光子必须在空间和时间上重叠。这种非线性机制通过显著减少背景荧光信号来提高成像分辨率，而背景荧光信号困扰着单光子过程的研究。图13说明了这种减少的信号背景。多光子显微镜的较小激发区域也可以防止光毒性，并最大限度地减少对样品的损伤。
图12：多光子或非线性显微镜使用超快激光源捕获高分辨率三维（3D）图像，与传统的共焦显微镜技术相比，其光漂白和光毒性降低。
图13：双光子双光子（顶部）和单光子（底部）显微镜系统的信号位置描述。两个光子产生的重叠导致较小的激发体积，而单光子信号受到来自焦平面外的背景信号的影响。
激光材料加工
由于超短脉冲与材料相互作用的独特方式，超快激光源也彻底改变了激光微加工和材料加工。如前所述，在讨论LDT时，超快脉冲持续时间比热扩散到材料晶格中的时间尺度更快。与纳秒脉冲激光相比，超快激光产生的热影响区要小得多，从而降低切口损失和更精确的加工。这一原理也适用于医疗应用，在医疗应用中，超快激光切割的精度提高有助于减少对周围组织的损伤，并改善患者在激光手术中的体验。
阿秒脉冲：超快激光器的未来
随着对推进超快激光器的研究不断深入，脉冲持续时间更短的新的和改进的光源正在开发中。为了深入了解更快的物理过程，许多研究人员正专注于阿秒脉冲的产生——在极紫外（XUV）波长范围内，阿秒脉冲约为10-18 s。阿秒脉冲允许跟踪电子运动，并提高我们对电子结构和量子力学的理解。虽然XUV阿秒激光器与工业过程的集成尚未获得重大进展，但该领域正在进行的研究和进步几乎肯定会将这项技术推出实验室，推向制造业，正如飞秒和皮秒激光源的情况一样。


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