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工业应用
飞秒光纤激光器为材料研究与加工提供新途径
录入时间:2016/9/8 10:44:19

  

/Subhash SinghNick ReillyChunlei Guo

 

 

光纤激光器使用稀土掺杂光纤作为激活介质,用激光二极管作泵浦源,本身固有一些关键优势,使它们在通过锁模产生超短脉冲方面颇具吸引力。掺杂光纤的高增益带宽和效率,允许制造相对便宜、紧凑、坚固的光纤激光器系统,这些系统提供适合广泛应用的光纤耦合输出光束。

 

飞秒架构

 

光纤提供较高的表面积-体积比,从而可实现有效的冷却,并且可以根据特定性能参数进行定制。光纤激光器最初仅限于连续波(CW)、低功率、单模运行;经过了三十多年的发展,现在光纤激光器已经能够实现单模和多模运行,波长范围覆盖紫外(UV)到远红外(far-IR)波段,并且能提供非常高的功率水平、可变的重复频率,以及(也许的最显著的)毫秒到飞秒级的脉宽。

 

不同于传统的自由空间激光器,光纤激光器采用光纤和光纤布拉格光栅(FBG),后者取代了常规的介质反射镜,用于光学反馈。大多数高功率光纤激光器采用双包层光纤架构,其中增益介质在光纤的纤芯,由两层包层包围。来自激光二极管或另一个光纤激光器的多模泵浦光束,在内包层中传播并受到外包层的约束,激发激活介质,并产生在光纤纤芯中传播的激射模式。

 

为了产生超快激光脉冲,需要采用主动或被动锁模技术。今天用于被动锁模的一些技术,包括非线性偏振旋转和饱和吸收技术,而电光或声光调制器用于主动锁模。[1]


在半导体可饱和吸收镜(SESAM)中,半导体量子阱生长在半导体分布式布拉格反射器上,SESAM已成功地用于制造工作在1.0μm1.5μm波长处的飞秒光纤激光器。通过采用石墨烯可饱和吸收体的掺铒(Er)光纤激光器,已经展示了自启动锁模和稳定的孤子脉冲产生。这些只是商业激光器制造商正在采用的几种飞秒光纤激光器架构,以满足各种科学和工业应用。

 

非线性锁模

对于可重复的长期稳定运行,德国Menlo Systems公司的“figure 9”技术采用行之有效的非线性光学环镜(NOLM)锁模机制。振荡器和放大器均只使用保偏光纤组件,实现高稳定性和低噪声,运行免维护。

 

Menlo的掺铒光纤激光器在中心波长1560nm780nm处具有宽带增益,提供标准和高功率型号,在50~250MHz的重复频率范围内,具有<90fs的脉宽。Menlo的掺镱(YbOrange飞秒光纤激光器,工作在1040nm520nm波长处,平均功率>10W,并提供<150fs的脉宽。作为一家光学频率梳开发商,Menlo的所有激光器系统均能够以高精度同步。这些系统广泛用于光谱学、显微、计量、引力观测和材料加工领域。[2,3]

 

BlueCut包含一个振荡器、一个配备脉冲拾取单元的放大器,以及用于高能量短脉冲的压缩器,是Menlo的工业级微焦耳光纤激光器系统。基于全光纤集成技术,该系统坚固、稳定,可用于微加工应用(见图1)。

 

 

1:采用Menlo Systems公司的BlueCut微焦飞秒光纤激光器,切割的骨骼样品的剖面图(a),在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)内制备的人工晶状体(b),以及微波应用的金螺旋(c)。

 

 

光纤CPA

基于其光纤啁啾脉冲放大(FCPA)技术,美国IMRA America公司的FCPA μJewel系列,由具有足够脉冲能量的掺镱光纤激光器组成,甚至在1045nm波长处(见图2)。[4]FCPA架构允许用户在两种模式下进行选择:100kHz200kHz的重复频率、高达50μJ的高能量模式;以及1MHz10W20W的高平均功率模式。该选择允许用户根据应用需求,以更快的速率进行材料加工。

 

 

 

2IMRA光纤啁啾脉冲放大(FCPA)技术的基本架构,在FCPA μJewel DE1050上部署,能够提供高达50μJ的脉冲能量。

 

 

IMRA的拉曼频移技术,让掺铒拉曼频移飞秒光纤激光器在810nm波长处,产生了干净的脉冲形状和光谱,从而使Femtolite光纤激光器能够替代钛蓝宝石(Ti:sapphire)激光器——这类激光器一直是临床和工业飞秒应用中的主力军。在810nm1620nm波长处,Femtolite的功率范围覆盖150~200mW,这在太赫兹波产生和探测、多光子荧光显微镜,以及二次谐波成像中非常有用。[5]

 

此外,飞秒脉冲可通过光纤传送到最终用户设备中。Femtolite FD系列提供光纤耦合输出,重复频率50MHz,平均输出功率高达1W。这种水平的脉冲能量,对于需要将飞秒脉冲光源灵活地集成到设备中的许多非线性成像或计量应用而言,已经足够用了。

 

同样地,光纤激光器啁啾脉冲放大器(FLCPA),也是美国Calmar Laser公司Cazadero高能量(高达30μJ)超快激光器的基础,该激光器在1μm1.5μm波长处产生超快脉冲(<0.5ps),重复频率数百千赫兹。这些超快激光器产品可以输出绿光(515nm)和紫外光(343nm),并能与该公司的Bodega OPA耦合,进而能在整个近红外(near-IR)区域提供较宽的波长范围。

 

Cazadero FLCPA超快激光器始于27MHz的被动SESAM锁模种子光纤激光器,采样低至120kHz或更高。超快脉冲是通过频率时间展宽(啁啾),使得通过高功率光纤放大器级、以较低的峰值强度进行放大。高达30μJ的短脉冲能量传输到自由空间中。这种FLCPA是固态飞秒激光放大器的一种具有成本效益的替代方案,用于精密生物医学材料加工和纳米结构化。[7]

 

由于能够产生超过4000oC的高熔融温度,可用于材料熔化、微结构操作或多材料合成,高功率飞秒光纤放大器已经被越来越多地用于材料加工和制造领域。2014年,美国Laser-Femto公司首次实现了0.5mJ的飞秒光纤激光器,提升了基于光纤的飞秒技术的高功率极限。

 

被动锁模


SESAM
被动锁模技术也是Calmar公司的Carmel-CFL超快光纤激光器种子平台的基础。Carmel X系列是高功率、风冷、780nm(以及可选的1550nm)、基于光纤的飞秒激光器,输出功率从0.2W到超过1.0W(在1550nm高达2.5W;见图3)。

 

 

3Carmel X系列激光器中使用的被动锁模技术示意图。

 

 

Carmel激光器能提供<90fs的脉宽,并且体积小巧,比许多Ti:sapphire激光器更加紧凑,但是输出功率水平却之接近,能够满足一系列超快激光应用的需求,包括生物成像、多光子显微、光学计量、3D微打印、太赫兹成像和眼科学。[8]

 

Carmel X系列包括远程数据采集、功率监控、系统诊断和二次谐波晶体的自动调节,实现长时间的使用寿命及OEM服务支持。对于多光子显微应用,Carmel超快激光器可用于细胞组织成像,提供最小的散射,并降低光损伤的风险。紧凑的激光头及配套的铠装光缆,使其只需要最少的光学元件就可以集成到现有的光学显微镜中。

 

另一种具有低相位噪声和低时间抖动的被动锁模、工业级飞秒激光器,是瑞士Onefive公司的Origami。其变换限制的孤子脉冲发射,在不同的波长和不同的重复频率下,提供衍射极限的光束质量和指向稳定性。

 

为了能在恶劣环境中工作,Origami封装在采用风冷和密封外壳内,专为高稳定性和低漂移而设计。Onefive公司的Origami<100fs,高达5nJ)、Origami HP<100fs,高达100nJ)和Origami XP<400fs)等飞秒激光器产品,是超低噪声计时和频率梳应用的理想选择。[6]Origami XP<400fs>40μJ)非常适用于飞秒眼科学(LASIK和白内障手术)和材料微加工应用。

 

多波长输出

 

德国Toptica Photonics公司的FemtoFiber系列飞秒光纤激光器使用饵光纤和镱光纤,能够提供多种输出选择:1560nm/780nm、可见/近红外可调谐输出,红外/近红外超连续谱和短脉冲型号,可用于非线性显微、双光子聚合、时域太赫兹和阿秒科学应用,并且还可以用作种子激光器。

 

可饱和吸收镜(SAM)锁模和保偏光纤技术,使得交钥匙型FemtoFiber ultra系列可用于生命科学、阿秒科学、光学相干断层扫描(OCT),以及工业/ OEM集成应用,这些应用通领域常缺乏具有激光专业知识的工程师。FemtoFiber激光器的光纤振荡器,可用于为一个或多个光学放大器提供种子源。同步的多个激光器系统,有益于诸如频率计量和泵浦-探测实验等应用。

 

Toptica FemtoFiber dichro系列从同一孔径输出不同波长的两路同步激光束。该平台设计上特别注重经常需要不止一种颜色的应用,如生物光子学应用,包括双光子荧光和二次谐波产生(SHG)显微。

 

FemtoFiber dichro bioMP型号从一个孔径发射亚150fs脉冲,输出波长780nm>500mW)和1050nm>1000mW),可独立调制强度、脉宽(啁啾)以及相应的脉冲间延迟,这些可调节的参数在活体细胞多色双光子成像、宽带相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)、受激拉曼光谱(SRS)研究,以及泵浦-探测实验和脉冲受激发射耗尽(STED)显微(见图4)应用中,能够大显身手。[9]

 

4FemtoFiber dichro bioMP激光器多波长输出示意图。

 

MOPA功率


英国Fianium公司(2016年初被NKT Photonics公司收购)的光纤激光器系列产品基于主振荡功率放大器(MOPA)构建模块,生产输出皮秒或飞秒光学脉冲的锁模激光器光源。Fianium提供的高平均功率(>20W)和高能量系统,能以兆赫兹重复频率到单次发射工作,光谱范围覆盖240~2500nm

 

Fianium公司的超连续谱(SC450-4)或白光光纤激光器发射超宽光谱,通常从紫外到超过2μm,并具有激光般的光束质量。所有Fianium公司的超连续谱激光器,均以兆赫兹重复频率提供皮秒脉冲,使它们与稳态应用中的CW源或寿命测量中的脉冲光源同样有效。单个超连续谱激光器,配合可调谐滤光片使用,可以在一系列应用中取代无限数目的单频激光器。

 

Fianium公司的FemtoPower激光器,采用被动锁模MOPA结构,输出波长1064nm、具备高平均功率和固定重复频率。也可以提供脉宽200fs532nm二次谐波。

 

Fianium公司可机架安装的High-Energy系列光纤激光器,能够提供高达10μJ的脉冲能量。其内部集成输出调制器,允许用户定制从单次发射到高达1MHz的连续模式的输出。该产品线具有<500fs脉宽的选项,最大平均功率2W,以及<5ps的选项产生5W的功率,适用于更高能量的应用,包括微结构和纳米结构、组织消融和眼科手术。[10]

 

LightWire FF1000为非线性显微(双光子、SHG)应用进行了优化。高平均功率(1.5W)、短脉宽(80fs)以及良好的光束质量,结合在一起获得样品的锐利、明亮图像。1030nm的激光发射波长,对深激发和收集来自组织的光都非常理想。飞秒脉冲的高峰值功率(625kW),也在许多其他非线性光学应用中有着广泛的用武之地,如太赫兹产生或双光子聚合。

 

基于完善的MOPA方案,立陶宛EKSPLA公司的1030nm、平均功率1.5WLightWire FF1000激光器,专门为非线性显微(双光子、SHG)应用进行了优化,脉宽低至80fsLightWire FF50飞秒光纤激光器,能在1064nm波长提供<130fs的脉宽,是传统钕钇铝石榴石(NdYAG)激光器的低成本、紧凑及坚固的替代产品。

 

中红外选择以及更多

 

美国IPG Photonics公司的红外脉冲光纤激光器,提供1.03~1.06μm1.55~1.65μm2.09μm以及2.1~2.6μm的波长。非线性外部转换产生绿光输出,皮秒和飞秒脉冲选择提供1.5μm处达10W1.06μm处达100W,或者0.52μm处达5W的二次谐波源。

 

这些飞秒选择的范围从400fs600fs,重复频率高达3MHzIPGCLPF超快振荡器提供40fs脉冲,在2.1~2.6μm范围内提供客户选择的固定波长,重复频率80~800MHz,输出功率2WIPG的超快放大器提供了在2~3μm光谱范围内,实现数瓦输出功率的能力。克尔透镜锁模振荡器和超快放大器头,由IPG的连续光纤激光器泵浦,满足了一系列科学和生物医学应用的需求。

 

所有的飞秒光纤激光器制造商继续提升超快架构的性能,包括更宽的波长范围、更短的脉冲以及更多的功率输出选项,以应对下一代材料研究和加工的挑战。

 

参考文献

1. D. Y. Tang et al., Phys. Rev. Lett., 101, 15, 153904 (2008).

2. T. Steinmetz et al., Science, 321, 5894, 1335–1337 (2008).

3. J. Kim et al., Nat. Photon., 2, 12, 733–736 (2008).

4. K. Hartinger and R. Holzwarth, Laser Tech. J., 11, 2, 34–35 (2014).

5. U.S. Patent No. 8,503,069 B2 (Aug. 6, 2013).

6. A. C. Millard et al., Appl. Opt., 38, 36, 7393–7397 (1999).

7. M. Eisele et al., Nat. Photon., 8, 841–845 (2014).

8. N. G. Horton et al., Nat. Photon., 7, 205–209 (2013).

9. W. R. Zipfel et al., Proc. Nat. Acad. Sci., 100, 12, 7075–7080 (2003).

10. P. Blandin et al., Appl. Opt., 48, 3, 553–559 (2009).


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