文/Wojciech Gora，Chromacity公司

能夠發(fā)射皮秒和飛秒脈沖的超快激光器，正在越來越廣泛的行業(yè)中獲得不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋高端制造、傳感、診斷、基礎(chǔ)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及醫(yī)療保健等。

為了將超快激光器拓展到新的應(yīng)用領(lǐng)域，多年來研發(fā)人員付出諸多努力，以滿足市場(chǎng)中不斷變化的多樣化工藝要求。這推動(dòng)了超快激光器技術(shù)不斷挑戰(zhàn)新的發(fā)展極限，使得如今的超快激光系統(tǒng)更加緊湊可靠，且節(jié)能易用。這在很大程度上得益于基于光纖的超快激光器所取得的諸多發(fā)展。

新型緊湊風(fēng)冷式光纖激光器的發(fā)展，得益于被動(dòng)鎖模技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)可產(chǎn)生超短光脈沖。最為廣泛應(yīng)用的鎖模技術(shù)包括半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）、非線性偏振旋轉(zhuǎn)、非線性光纖環(huán)形鏡以及碳納米管可飽和吸收體。

Chromacity公司的固定波長(zhǎng)光纖激光器，依賴主振蕩功率放大器（MOPA）架構(gòu)，來確定和管理功率與脈沖質(zhì)量之間的平衡。其諧振腔設(shè)計(jì)和非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術(shù)，能夠在保持最高激光斜率效率的同時(shí)，產(chǎn)生高質(zhì)量的超快脈沖（見圖 1）。從鎖模振蕩器獲得的后續(xù)功率提升，有利于將單個(gè)功率放大級(jí)的平均功率提升至 5~10W，且無需額外的前置放大器。

圖 1：Chromacity公司的一名工程師正在校準(zhǔn)一臺(tái)產(chǎn)生二次諧波的超快光纖激光器。

這使我們能夠利用自由空間和光纖架構(gòu)，制造出超高效且小尺寸的激光器，便于集成到任何系統(tǒng)中。

非線性顯微鏡

非線性顯微鏡技術(shù)是受超短飛秒脈沖推動(dòng)的領(lǐng)域之一。非線性顯微鏡技術(shù)中使用二次諧波產(chǎn)生（SHG）顯微鏡、雙光子熒光壽命成像顯微鏡（2P-FLIM）以及雙光子激發(fā)熒光（2PEF）顯微鏡等方法。這些技術(shù)利用紅外（IR）光的低吸收和散射特性，提高對(duì)生物樣本的深度測(cè)量能力。通過使用飛秒脈沖紅外激光輻射，它們產(chǎn)生更短波長(zhǎng)的光來對(duì)樣本成像。

緊湊風(fēng)冷式激光器的發(fā)展，為非線性顯微鏡技術(shù)帶來了革命性變化，使得該技術(shù)更易于應(yīng)用。過去，這一領(lǐng)域一直由鈦寶石（Ti:Sapphire）激光器主導(dǎo)，這主要源于其在 680~1080nm之間具有可調(diào)諧性。但具有諸多優(yōu)勢(shì)的緊湊型風(fēng)冷式固定波長(zhǎng)光纖激光系統(tǒng)，正推動(dòng)其在非線性顯微鏡技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域迅速普及。盡管鈦寶石激光器具有可調(diào)諧性，但光纖激光器占地面積更小、維護(hù)成本低且總體擁有成本更低，這些優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了其不可調(diào)諧的不足。

要使光纖激光器全面成為 2PEF顯微鏡等非線性顯微鏡成像系統(tǒng)的首選激光源，關(guān)鍵在于其波長(zhǎng)需要與熒光團(tuán)吸收線重疊。這促使了與之相匹配的激光器的開發(fā)，尤其是波長(zhǎng)為 920nm、1040nm和 780nm的激光器。Chromacity公司開發(fā)了一款 920nm的飛秒激光器，用于激發(fā) 2PEF 顯微鏡和神經(jīng)科學(xué)成像中常用的熒光團(tuán)。

環(huán)境傳感

環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)是全球重點(diǎn)關(guān)注事項(xiàng)，需要強(qiáng)大且靈敏的實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)。實(shí)時(shí)測(cè)量和評(píng)估氣體排放的能力，對(duì)于改善眾多行業(yè)的環(huán)境影響至關(guān)重要，這些行業(yè)包括氣體開采與加工、工業(yè)設(shè)施、污水處理廠、農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及垃圾填埋場(chǎng)等。一種可行的解決方案是基于開放式傅里葉變換紅外光譜（FTIR）的系統(tǒng)（見圖 2）。

圖 2：使用 Chromacity 公司的光參量振蕩器（OPO）激光器、發(fā)射光學(xué)器件和收集望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行開放式氣體檢測(cè)的系統(tǒng)。（圖片來源：赫瑞瓦特大學(xué)Derryck Reid教授）

對(duì)于此類應(yīng)用，理想的激光源系統(tǒng)必須具有高度可調(diào)諧性，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率光譜分析，并具備良好的光束質(zhì)量。光參量振蕩器（OPO）可滿足這些要求（見圖 3）。其在1.4~12µm范圍內(nèi)選擇感興趣波長(zhǎng)區(qū)域的能力，提供了前所未有的靈活性，并且可以針對(duì)眾多感興趣的吸收線。在最近與赫瑞瓦特大學(xué)Derryck Reid教授及其研究小組合作的一個(gè)項(xiàng)目中，成功證明了使用這種類型的激光器用于長(zhǎng)距離氣體吸收測(cè)量中的激光光譜學(xué)應(yīng)用的可行性。該系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)諧，以甲烷和乙烷吸收帶為目標(biāo)，展示了以十億分之一精度測(cè)量氣體濃度的能力。

圖 3：非線性顯微鏡裝置中的一臺(tái) Chromacity 1040fs超快激光器。（圖片來源：英國(guó) Scientifica 公司）

量子技術(shù)

在過去的十年中，量子技術(shù)取得了顯著發(fā)展。量子技術(shù)范疇內(nèi)的許多應(yīng)用，如量子光譜學(xué)、量子糾纏和量子密碼學(xué)等，正推動(dòng)著激光技術(shù)的發(fā)展方向。這些應(yīng)用的基礎(chǔ)是可靠地產(chǎn)生量子糾纏的能力。

實(shí)現(xiàn)量子糾纏的方法之一是自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）。該技術(shù)通常需要一個(gè)能夠產(chǎn)生超短脈沖的激光系統(tǒng)，為產(chǎn)生 SPDC 的非線性晶體提供極高的峰值功率。產(chǎn)生飛秒脈沖的固定波長(zhǎng)激光器是此類應(yīng)用的理想選擇。

量子光譜學(xué)等應(yīng)用需要更復(fù)雜的激光源，這些激光源能產(chǎn)生寬光譜的紅外波長(zhǎng)， 以實(shí)現(xiàn)更大的靈活性。超短脈沖持續(xù)時(shí)間與中紅外可調(diào)諧激光器是理想組合，從短波紅外到長(zhǎng)波紅外光選擇波段的能力，為該應(yīng)用提供了卓越的適應(yīng)性。

而能夠選擇從短波紅外到長(zhǎng)波紅外（SWIR~LWIR）的波段范圍，則為應(yīng)用提供了卓越的適應(yīng)能力。

未來展望

在過去的二十年里，超快光纖激光技術(shù)已經(jīng)顯著成熟，使得大多數(shù)用戶能夠受益于其易用性、高效性和低成本。隨著鎖模材料科學(xué)、電子元件小型化以及光學(xué)效率等方面的最新進(jìn)展，超快激光器有望變得更小、更高效且功率更高。這將促使新材料加工、非線性光學(xué)和量子應(yīng)用領(lǐng)域的新用戶更傾向于采用該技術(shù)。