文/Tony Lin

上个世纪90年代，商用钛宝石超快激光器进入科学研究领域，产生了诸多新兴应用。20多年来，随着新一代紧凑型超快光纤激光器和半导体激光泵浦的固态超快激光器的出现，超快激光的应用已经从医学领域拓展到了工业生产线上。可能超快激光最为人们熟知的应用就是材料的冷加工了，使用的脉宽约为200fs~10ps，这也实现了多年前人们对超快激光器的应用预期。[1-4 ]Gérard Mourou和Donna Strickland教授因为发明了啁啾脉冲放大（CPA）技术而获得了2018年诺贝尔物理学奖，而CPA技术是超快激光实现更高能量输出的技术基础。本文将重点介绍紧凑型超快光纤激光器的独特优势，及其在医疗和工业领域的应用。

超快光纤激光器的优势

上个世纪90年代，在固态超快激光技术蓬勃发展的同时，电信产业的繁荣也使光纤技术取得了巨大的技术创新。一些光纤器件的质量、寿命和价格都有了根本性的改进，包括泵浦半导体激光器、耦合器、光束组合器、旋转器、布拉格光纤滤波器、调制器、探测器等。

在过去20年中，光纤技术的不断进步使掺杂双包层光纤（多模半导体激光泵浦以产生单模输出）、更大芯径的光纤（获得更高的激光功率输出），以及可设计的光子带隙光纤的商业化成为可能。光纤技术的进步使千瓦级高功率光纤激光器的工业应用达到顶峰。利用先进的光纤技术，IPG Photonics等公司利用电信领域的创新来解决工业领域的高功率问题；Calmar Laser等公司则利用这些构建模块来开发超快激光平台。  

虽然掺杂光纤提供了高增益和紧凑设计的潜力，但其较小的纤芯直径为超快激光脉冲的输出提出了独特的挑战。较高的峰值功率会导致非线性效应，自相位调制会使光谱展宽，而自聚焦效应则会引起光学损伤。此外，激光脉冲在光纤内传播时的色散效应会导致脉冲在时域展宽。

为了设计一款性能优异的超快光纤激光器，必须在孤子脉冲整形过程中保持较低的脉冲能量，必须平衡色散和非线性效应，以保持输出脉冲的时域和空域形状。由于激光脉冲在石英光纤中引起的色散和非线性效应比较稳定，因此在石英光纤中传输的激光脉冲也比较稳定。此外，还需要一种性能可靠的启动机制来诱导锁模，并提供长期一致的性能。为了简单起见，多数商用超快光纤激光器利用某种类型的饱和反射镜实现被动锁模，这种方法不再需要电子或机械组件。随着腔内激光脉冲强度的增加，反射镜的反射率会增加几个百分点，并通过调控腔内增益来诱导强锁模。Calmar公司专有的饱和反射镜采用了与光纤隔离器相似的制造方法和材料，确保其坚固耐用。图1a中显示了超快光纤激光振荡器的关键组成部分。

图1：（a）超快光纤激光振荡器的原理图；（b）美国Calmar Laser公司小型化超快光纤激光器（Mendocino系列），输出波长为780~1560nm。

Saturable reflector：饱和反射镜

End mirror: 端面镜

Pump laser：泵浦激光器

Gain fiber with soliton pulse shaping：带有孤子脉冲整形的增益光纤

Filter：滤波器

Main output：主输出

Monitor output：监视器输出

通过选择不同类型的增益光纤，低功率超快光纤激光器可以提供各种波长的输出，最常见的是掺镱（Yb）光纤对应的1.0m输出和掺铒（Er）光纤对应的1.5m输出。图1b为Calmar公司的Mendocino系列激光器，其输出脉宽可短至50fs，功率高达100mW，脉冲重复频率范围10~100MHz。通过光学优化设计，可以输出转换极限的脉冲，脉冲衬底强度比主脉冲低20dB以上。脉冲的产生和整形都是在光纤中实现的，光纤本身很容易被卷曲和封装在一个较小的体积内，因此光源本身非常紧凑和坚固。空气冷却、可靠的主动和被动远距离通讯模块，及第四代饱和反射镜设计，这些因素综合在一起，使得Mendocino系列激光系统实现了超过20000小时的使用寿命（见图2）。因此，这种类型的光纤激光振荡器已成为更复杂的高能量超快激光器的首选种子源。

图2：配有Calmar公司第四代饱和反射镜的Mendocino系列超快光纤激光振荡器的功率测试图，其寿命可超20,000小时。

Relative power：相对功率

Time（hours）：时间（小时）

紧凑型高功率设计

低功率超快光纤激光器也可以作为高功率光纤激光器的种子源。图3a为 Carmel X系列高功率超快激光源的设计图，图中包括一个掺Er全光纤CPA设计。在这个示例中，种子光和放大器被封装在一个风冷的机架式安装的控制器中。1.5m激光脉冲首先通过色散效应展宽（啁啾），放大后通过光纤传输到超紧凑的激光头，然后脉冲被压缩并通过倍频效应实现780nm的激光脉冲输出。

这个超快光纤激光系统，在体积上，要比具有类似输出功率水平的钛宝石超快激光器小100倍以上。Carmel X-780型号的超快光纤激光器，脉冲宽度小于90fs，功率大于1W，适用于多种超快应用，包括生物成像、双光子显微光谱、光学计量、3D纳米打印、太赫兹成像、眼科应用等。

图3：（a）紧凑型全光纤放大超快激光系统原理图，输出功率大于1W；（b）Carmel x系列激光器，由机架式安装的控制器和超紧凑激光头组成，输出波长为780nm，功率大于1W，脉宽小于90fs。

Controller：控制器

Seed laser：种子激光器

Pulse stretcher：脉冲展宽器

Fiber amplifier：光纤放大器

Fiber delivery：光纤传输

Pulse compressor：脉冲压缩器

Laser head：激光头

Second harmonic generation：二次谐波产生

如今，超快光纤激光器已经非常成熟，可以做成黑箱设备，这样原始设备制造商（OEM）和系统集成商就可以将它们集成到各种设备中。超快光纤激光器的高电光转化效率、良好的机械性能（结构紧固、尺寸小）、瞬时开启、高稳定性和可靠性等性能，使其非常适合工业和医疗应用。

太赫兹成像和光谱应用

超快光纤激光器用于太赫兹成像的一个典型的案例就是TeraView公司的TeraPulse Lx系统，这是一套台式太赫兹光谱仪和成像系统，其通过材料对太赫兹波段的反射率和透射率测量，实现对材料的表征（见图4a）。这款太赫兹成像系统的核心部件是一台紧凑的780nm飞秒光纤激光器，与激光控制的光导发射器一起，提供带宽范围大于60GHz-6THz的太赫兹光源，信噪比高于95dB。

图4：（a）TeraPulse Lx光谱仪和成像系统使用超快光纤激光器作为其驱动引擎；（b）在30GHz~3THz频率范围内测量聚四氟乙烯样品的介电常数（矢量网络分析方法只在离散频带测量材料信息[6]）。

Dielectric constant：介电常数 

Frequency：频率

TDS data at different temperature：不同温度的TDS数据

VNA data for different materials：不同材料的VNA（矢量网络分析）数据

研究人员在探索6G无线通信技术时，太赫兹波段受到了很多关注。尽管5G通信正在推进，但是要实现超过1Tbit/s的数据传输速率，并支持持续增长的高带宽应用，[6]就要开发新的器件、探测器、电路等，并对6G频率下的材料进行表征。图4b展示了太赫兹时域光谱仪的优点，该光谱仪能在30GHz~3THz范围内测量高性能电绝缘体聚四氟乙烯的介电常数。而传统的矢量网络分析方法，只能测量一些离散频带对应的材料信息。

双光子显微光谱

在生物医学领域，德国JenLab公司拥有先进的基于近红外飞秒激光的双光子显微技术，可用于人体皮肤无标记高分辨率活体成像，这种技术被称为多光子层析成像技术（MPT）。而这款临床成像系统的最初设计是基于钛宝石超快激光器的，需要水冷和复杂的铰接光学传输系统。而在使用了超快光纤激光器后，JenLab推出了多模态小型MPT成像系统（见图5a），[7]该系统无需水冷，可以自由移动，实现实时光学活检。

该系统有一个固定波长为780nm、脉宽为80fs的激光模块，直接集成到360°可旋转的测量头中，无需光学传输系统。该小型MPT成像系统目前正在进行临床试验，提供不同的体内成像方式，包括双光子激发自体荧光（AF）成像，用于光学代谢成像（OMI）的荧光寿命成像（FLIM），胶原蛋白的二次谐波成像以及共聚焦反射显微成像（见图5b）。

图5：（a）JenLab的多模态小型MPT成像系统；（b）体内多模态多光子层析成像（MPT）示例，左上角为待检皮肤的白光视图，右上为双光子成像叠加图，下方为典型的四种成像方式获得的平面图像，从左上角按顺时针方向分别为自荧光成像、荧光寿命成像、高次谐波成像和共聚焦反射成像。[7]

3D纳米打印

另一种能够实现亚微米分辨率的多光子技术是双光子聚合（2PP）。双光子聚合可以制备复杂的3D形状，实现多种应用，包括光子元件、再生医学支架、微流控元件和微机电系统（MEMS）等。奥地利UpNano公司是开发新型超快高分辨率双光子聚合 3D打印系统的先驱。该公司研发的首台高分辨率3D桌面打印系统——NanoOne，使用的就是输出功率为1W、波长为780nm的小型超快光纤激光器（见图6）。

NanoOne专门用来打印样件和微小元件的小批量生产。不同于市场上的其他3D打印系统，这款打印机分辨率高，制造速度快，打印的尺寸范围也比较大。小型化的高功率超快光纤激光器使这款打印机能够桌面化，并且随着扫描速度的提高，桌面打印机的效率能够提升一百倍。

图6：（a）NanoOne高分辨率3D桌面打印系统；（b）NanoOne 3D纳米打印样件，从左上角顺时针方向分别为：微过滤器结构、微针、微流控和微机械元件。

从以上案例可以看出，低能量超快激光在计量、诊断、测试测量等领域的应用越来越广泛。值得庆幸的是，如今超快光纤激光器的性能、寿命、价格以及可靠性，都已经可以迎接商业化应用提出的新挑战。

参考文献

1. B. Craig, “Ultrafast pulses promise better processing of fine structures,” Laser Focus World, 34, 9 (1998).

2. J. Hecht, “Photonic Frontiers: Ultrafast laser processing: Ultrafast lasers make ultraprecise tools,” Laser Focus World, 48, 5 (2012).

3. T. Gunaratne and W. Clark, “Ultrashort pulse laser micromachining: History and future opportunities,” Industrial Laser Solutions, 29, 2 (2014).

4. M. Malinauskas et al., Light Sci. Appl., 5, e16133 (2016).

5. A. Thoss, “Nobel Prize 2018 awarded for groundbreaking inventions in the field of laser physics,” Laser Focus World, 54, 10 (2018).

6. “Towards 6G—materials and system characterization tools,” TeraView white paper, 2020.

7. K. König et al., Proc. SPIE, 11211, 112110E (Feb. 2020); doi: 10.1117/12.2542322.