文/Wojciech Gora，Chromacity公司

能够发射皮秒和飞秒脉冲的超快激光器，正在越来越广泛的行业中获得不断增长的应用，其应用领域涵盖高端制造、传感、诊断、基础研究、环境监测以及医疗保健等。

为了将超快激光器拓展到新的应用领域，多年来研发人员付出诸多努力，以满足市场中不断变化的多样化工艺要求。这推动了超快激光器技术不断挑战新的发展极限，使得如今的超快激光系统更加紧凑可靠，且节能易用。这在很大程度上得益于基于光纤的超快激光器所取得的诸多发展。

新型紧凑风冷式光纤激光器的发展，得益于被动锁模技术的进步，该技术可产生超短光脉冲。最为广泛应用的锁模技术包括半导体可饱和吸收镜（SESAM）、非线性偏振旋转、非线性光纤环形镜以及碳纳米管可饱和吸收体。

Chromacity公司的固定波长光纤激光器，依赖主振荡功率放大器（MOPA）架构，来确定和管理功率与脉冲质量之间的平衡。其谐振腔设计和非线性偏振旋转锁模技术，能够在保持最高激光斜率效率的同时，产生高质量的超快脉冲（见图 1）。从锁模振荡器获得的后续功率提升，有利于将单个功率放大级的平均功率提升至 5~10W，且无需额外的前置放大器。

图 1：Chromacity公司的一名工程师正在校准一台产生二次谐波的超快光纤激光器。

这使我们能够利用自由空间和光纤架构，制造出超高效且小尺寸的激光器，便于集成到任何系统中。

非线性显微镜

非线性显微镜技术是受超短飞秒脉冲推动的领域之一。非线性显微镜技术中使用二次谐波产生（SHG）显微镜、双光子荧光寿命成像显微镜（2P-FLIM）以及双光子激发荧光（2PEF）显微镜等方法。这些技术利用红外（IR）光的低吸收和散射特性，提高对生物样本的深度测量能力。通过使用飞秒脉冲红外激光辐射，它们产生更短波长的光来对样本成像。

紧凑风冷式激光器的发展，为非线性显微镜技术带来了革命性变化，使得该技术更易于应用。过去，这一领域一直由钛宝石（Ti:Sapphire）激光器主导，这主要源于其在 680~1080nm之间具有可调谐性。但具有诸多优势的紧凑型风冷式固定波长光纤激光系统，正推动其在非线性显微镜技术应用领域迅速普及。尽管钛宝石激光器具有可调谐性，但光纤激光器占地面积更小、维护成本低且总体拥有成本更低，这些优势弥补了其不可调谐的不足。

要使光纤激光器全面成为 2PEF显微镜等非线性显微镜成像系统的首选激光源，关键在于其波长需要与荧光团吸收线重叠。这促使了与之相匹配的激光器的开发，尤其是波长为 920nm、1040nm和 780nm的激光器。Chromacity公司开发了一款 920nm的飞秒激光器，用于激发 2PEF 显微镜和神经科学成像中常用的荧光团。

环境传感

环境气体监测是全球重点关注事项，需要强大且灵敏的实时测量技术。实时测量和评估气体排放的能力，对于改善众多行业的环境影响至关重要，这些行业包括气体开采与加工、工业设施、污水处理厂、农业、林业以及垃圾填埋场等。一种可行的解决方案是基于开放式傅里叶变换红外光谱（FTIR）的系统（见图 2）。

图 2：使用 Chromacity 公司的光参量振荡器（OPO）激光器、发射光学器件和收集望远镜，进行开放式气体检测的系统。（图片来源：赫瑞瓦特大学Derryck Reid教授）

对于此类应用，理想的激光源系统必须具有高度可调谐性，能够实现高分辨率光谱分析，并具备良好的光束质量。光参量振荡器（OPO）可满足这些要求（见图 3）。其在1.4~12µm范围内选择感兴趣波长区域的能力，提供了前所未有的灵活性，并且可以针对众多感兴趣的吸收线。在最近与赫瑞瓦特大学Derryck Reid教授及其研究小组合作的一个项目中，成功证明了使用这种类型的激光器用于长距离气体吸收测量中的激光光谱学应用的可行性。该系统经过调谐，以甲烷和乙烷吸收带为目标，展示了以十亿分之一精度测量气体浓度的能力。

图 3：非线性显微镜装置中的一台 Chromacity 1040fs超快激光器。（图片来源：英国 Scientifica 公司）

量子技术

在过去的十年中，量子技术取得了显著发展。量子技术范畴内的许多应用，如量子光谱学、量子纠缠和量子密码学等，正推动着激光技术的发展方向。这些应用的基础是可靠地产生量子纠缠的能力。

实现量子纠缠的方法之一是自发参量下转换（SPDC）。该技术通常需要一个能够产生超短脉冲的激光系统，为产生 SPDC 的非线性晶体提供极高的峰值功率。产生飞秒脉冲的固定波长激光器是此类应用的理想选择。

量子光谱学等应用需要更复杂的激光源，这些激光源能产生宽光谱的红外波长， 以实现更大的灵活性。超短脉冲持续时间与中红外可调谐激光器是理想组合，从短波红外到长波红外光选择波段的能力，为该应用提供了卓越的适应性。

而能够选择从短波红外到长波红外（SWIR~LWIR）的波段范围，则为应用提供了卓越的适应能力。

未来展望

在过去的二十年里，超快光纤激光技术已经显著成熟，使得大多数用户能够受益于其易用性、高效性和低成本。随着锁模材料科学、电子元件小型化以及光学效率等方面的最新进展，超快激光器有望变得更小、更高效且功率更高。这将促使新材料加工、非线性光学和量子应用领域的新用户更倾向于采用该技术。