雖然超快（皮秒和飛秒）激光器只是激光器應(yīng)用于當今工業(yè)界和醫(yī)療界（如加工玻璃用于智能手機屏幕和激光眼科手術(shù)）的一個重要部分，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目開始的。
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現(xiàn)小型、堅固的超快科學(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，確保每個周期脈沖的相位被正確校準在脈沖包絡(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入放大器之前在時間上延展種子脈沖，經(jīng)過放大之后高能脈沖被時域壓縮。
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，第一臺超快激光器基于染料增益介質(zhì)，價格昂貴，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。”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，以及時間分布的精密光學(xué)時鐘。該激光器產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時間從40fs到10ps，甚至還能與主動重復(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的堅固盒子，包含一個摻鉺光纖激光器發(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。
鈦藍寶石
與激光器其他增益材料相比，鈦藍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，這些確實改變了。特別是，我們最終實現(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施嚴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)。”
作為一個例子，Gallaher提到一個標準產(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)工作幾千個小時。
相干公司產(chǎn)品線經(jīng)理Joseph Henrich介紹，公司的Astrella鈦藍寶石放大器是另外一個例子，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)頻率達千赫茲僅封裝在一個盒子里，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)計并采用嚴格的HALT/HASS協(xié)議檢測而受到廣泛關(guān)注。放大器的CPA延伸-壓縮機裝在一個密封盒內(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，實現(xiàn)這一功率無需鈦藍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、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，每個峰值對應(yīng)一個不同的分子振動，但是沒有頻譜信息描述振動之間的關(guān)系。2DIR利用兩個獨立波長（泵浦和探測）揭示了這些關(guān)系并繪制了正交軸兩個波長的數(shù)據(jù)。如果一個2DIR光譜是同一類成對峰值的混合記錄，會產(chǎn)生非對角交叉峰值。2DIR被證明是生命科學(xué)領(lǐng)域一個非常重要的工具，具備研究生物分子之間聯(lián)系和互動的獨特能力；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鎖定在無限時間內(nèi)。阿秒科學(xué)研究人員和其他高次諧波產(chǎn)生的實驗將會受益。
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，擴大波長范圍可以實現(xiàn)更深入的體內(nèi)成像。色散預(yù)補償確保亞100fs脈沖，通過顯微鏡傳輸?shù)奖粰z樣品。
按照工業(yè)標準設(shè)計制造的激光器系統(tǒng)，還可以具有為不同類型熒光同時成像的雙同步光束、二次和三次諧波成像、兩束同步輸出光使 各種熒光團（GFP/YFP和mCherry）簡易同步成像、SHG/THG成像、以及先進成像技術(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)實行被動鎖模，根據(jù)不同的設(shè)置可以輸出脈沖持續(xù)時間在飛秒和皮秒范圍的脈沖。
該公司的Tiger鈦藍寶石激光器輸出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?？茖W(xué)應(yīng)用包括泵浦探測實驗、多光子顯微鏡、非線性實驗和時間分辨光譜。
各種超快選擇
實際上固態(tài)超快科學(xué)激光器沒有必要一定是鈦藍寶石激光器，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，與鈦藍寶石科學(xué)激光器能達到相同的目標。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。
對于非鈦藍寶石超快激光器，相干的Gallaher指出“產(chǎn)業(yè)中另外一個有趣的趨勢是鐿基超快激光器將成為鈦藍寶石的第一個取代者。我們的變色龍?zhí)剿骷す馄骶褪且粋€例子，可調(diào)諧范圍從680~1300nm比鈦藍寶石激光器調(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)顯微鏡實驗的理想解決方案。”
卡普坦-默南實驗室也正在擴大其技術(shù)包括大型鐿基超快激光器，雖然公司以鈦藍寶石激光器聞名，但是開發(fā)兩者的目的都是科學(xué)研究。例如，翼龍再生鈦寶石放大器可以低溫冷卻到50K，該公司表示消除熱透鏡可提升功率處理容量兩個數(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毛細管波導(dǎo)，氬氣加壓產(chǎn)生相干EUV脈沖，光子能量達到43eV。這些EUV脈沖是研究材料中動態(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)而制作一個非常小的纖芯直徑，跨越兩個以上光譜倍頻程。
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到10W提供了低價版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。
美國國家標準技術(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，它能夠生成一個動態(tài)輻射光譜，模擬當日時間內(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。這一點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獨立研究優(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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