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超快激光科学扩大产业

发布时间: 2015-05-28 11:27:57   作者:本站编辑   来源: laserfocusworld.com   浏览次数:

       虽然超快(皮秒和飞秒)激光器只是激光器应用于当今工业界和医疗界(如,加工玻璃用于智能手机屏幕和激光眼科手术)的一个重要部分,但是超快科学激光器在研究领域的应用却非同一般。事实上,科学研究是所有类型激光器的开始,恰恰超快激光器也是从研究项目开始的。 超快科学激光器的类型包括振荡器和放大器,两者都可以采用大块的或光纤器件构建。采用光纤制造可以实现小型、坚固的超快科学激光器,虽然光纤有很多亟待解决的内在问题:高峰值功率以及纤维经过高强度使用引起的光学损伤或非线性光学效应。然而,后者在某些情况下经过善加利用的突出例子是超连续光源,依赖于光纤非线性特性输出高亮度宽带光。 超快科学激光器类别包括产生超短飞秒脉冲的商用激光器,这种激光器通常依靠成熟技术产生高质量脉冲,如载波包罗相位(CEP)稳定,确保每个周期脉冲的相位被正确校准在脉冲包络里。为了产生不损伤放大器内器件的高能放大飞秒脉冲又,啁啾脉冲放大(CPA)利用色散元件在脉冲进入放大器之前在时间上延展种子脉冲,经过放大之后高能脉冲被时域压缩。 超快激光器的历年演变可以参见德国光纤超快激光器供应商Toptica公司提供的表格,第一台超快激光器基于染料增益介质,价格昂贵,性能不稳定,而基于固体增益介质的激光器,如钛蓝宝石激光器,基于光纤的商用激光器具有较高的可靠性及合理成本。

超快光纤激光器

        “Toptica生产的皮秒和飞秒被动锁模光纤激光器增益介质采用光纤掺镱(Yb)和铒(Er),” Toptica总裁Wilhelm Kaenders说,“多年以来,我们一直采用保偏光纤及饱和吸收器技术,目前有些光纤解决方案的使用寿命已经超过30.000小时。”公司的激光器发射波长涉及780、1030、1064、1550nm。 Kaenders指出Toptica激光器的高连续操作时间可以用于特殊用途,如太赫兹生成、多光子显微镜、双光子聚合,以及时间分布的精密光学时钟。该激光器产生的脉冲持续时间从40fs到10ps,甚至还能与主动重复率同步,质量特别适于频率梳的产生。频率梳的许多科学用途包括等离子体灭菌测量、发现外流星、超精密时间信号转换、微量气体检测、绝对距离测量干涉。 由于体积小,超快光纤激光器可以作为钛蓝宝石放大器的优秀种子光源。例如,Continuum公司制造的Q-Light-PM是一款小型、尺寸为18.4 × 15.7 × 6.5 cm的坚固盒子,包含一个掺铒光纤激光器发射线偏振光倍频到780nm波段、光束质量(m2)为1.2或更高,脉冲持续时间110fs或更短,重复频率30-40 MHz,平均功率10mW左右;盒子还包括电控制器。除了作为钛蓝宝石放大器种子源,激光器还可以用于成像处理和生物医学研究。

钛蓝宝石

       与激光器其他增益材料相比,钛蓝宝石具有较宽的增益带横跨680-1100nm,由于光谱带宽和脉冲宽度之间的傅立叶变换,产生超短脉冲需要较大的带宽。因此,最短的激光脉冲通常由钛发射。 相干公司生产线高级经理Nigel Gallaher介绍,相干公司制造三种类型的超快科学激光器:振荡器、放大器以及为多光子显微镜优化的特种振荡器,连同定制这些装置的辅助程序一起,如可调谐光参量振荡器和放大器、谐波发生器、其他频移模式。 Gallaher介绍了工业用钛蓝宝石激光器是如何助力超快科学激光器发展的。“传统上,性能和操作简便性/可靠性之间有一种广泛被接受的协定,如果你想要更高级的性能,亲自动手操作你的超快激光器即可,但是在过去的两到三年里,这些的确是改变了。特别是,我们最终实现了极端性能和工业级简单性和可靠性的融合,相干公司把它叫做超快科学的产业革命。这种产业革命的一个重要方面是通过长期用于其他产业的最终测试方案来实施严格高度加速寿命测试和高度加速应力筛选(HALT/HASS)的开发。” 作为一个例子,Gallaher提到一个标准产品Vitara UBB超高速振荡器,脉冲宽度小于8fs,小巧封装带来领先优势性能,可以连续工作几千个小时。

         相干公司产品线经理Joseph Henrich介绍,公司的Astrella钛蓝宝石放大器是另外一个例子,我们的箱式放大器产品的最新诠释是输出高度放大脉冲重复频率达千赫兹仅封装在一个盒子里,包括Vitara种子振荡器、延伸-压缩器、最新放大器泵浦激光器以及再生放大器。Astrella因单一盒装放大器设计并采用严格的HALT/HASS协议检测而受到广泛关注。放大器的CPA延伸-压缩机装在一个密封盒内,不需要用户干扰。 放大器发射脉冲能量为6 mJ,脉冲宽度可选<35或100 fs,35 fs脉宽转换成峰值功率170GW,实现这一功率无需钛蓝宝石增益晶体的热电冷却。典型应用于各种光谱,包括振动、电子、太赫兹以及通过高次谐波产生X-射线研究电子核,产生阿秒光脉冲的技术。 例如,Astrella放大器在二维红外(2D IR)光谱中的应用。Henrich介绍说传统的红外吸收光谱通常是通过傅立叶变换红外(FTIR)仪获得的,每个峰值对应一个不同的分子振动,但是没有频谱信息描述振动之间的关系。2D IR利用两个独立波长(泵浦和探测)揭示了这些关系并绘制了正交轴两个波长的数据。如果一个2D IR光谱是同一类成对峰值的混合记录,会产生非对角交叉峰值。2D IR被证明是生命科学领域一个非常重要的工具,具备研究生物分子之间联系和互动的独特能力;例如,蛋白酶结合以及蛋白质折叠展开。

CEP稳定性

       Femtolasers公司已将CEP稳定性作为超快振荡器和放大器的一个重要特征。该公司声称已开辟了第三代CEP技术,可以将CEP锁定在一个完整的工作日内,而传统的第一代CEP技术仅能将CEP锁定在几十分钟的时间长度内。公司还表示第四代CEP技术将采用“直接前馈”方式,可以将CEP锁定在无限时间内。阿秒科学研究人员和其他高次谐波产生的实验将会受益。 光谱物理公司设立了超快激光器的整套生产线,包括振荡器、放大器和单波长激光器。公司的InSight DS+系统,其目标是体内多光子显微镜科学应用,无间隙调谐范围从680-1300nm,扩大波长范围可以实现更深入的体内成像。色散预补偿确保亚100fs脉冲,通过显微镜传输到被检样品。 按照工业标准设计制造的激光器系统,还可以具有为不同类型荧光同时成像的双同步光束、二次和三次谐波成像、两束同步输出光使各种荧光团(GFP/YFP 和 mCherry)简易同步成像、SHG/THG成像、以及先进成像技术,如相干反斯托克斯拉曼光谱学(CARS)和受激拉曼散射(SRS)。 瑞士联邦理工学院的超快激光物理研究组成立的分公司Time-Bandwidth Products公司,目前归属于JDSU,生产制造二极管泵浦钛蓝宝石和其他固态超快激光器,采用半导体可饱和吸收镜(SESAM)技术实行被动锁模,根据不同的设置可以输出脉冲持续时间在飞秒和皮秒范围的脉冲。 该公司的Tiger钛蓝宝石激光器输出150fs脉冲,能量高于25nJ,单束脉冲重复频率4.1 MHz,光束质量因数为1.1。科学应用包括泵浦探测实验、多光子显微镜、非线性实验和时间分辨光谱。

各种超快选择

       实际上固态超快科学激光器没有必要一定是钛蓝宝石激光器,例如,Time-Bandwidth Products公司制造了钕玻璃(Nd:glass)激光器发射有限转换亚200fs脉冲,波长1058nm范围(从1053nm到1064nm可调谐),平均功率400mW,用户可自定义,固定脉冲重复频率介于70-150 MHz,与钛蓝宝石科学激光器能达到相同的目标。此外,公司还生产镱基超快激光器发射亚200fs脉冲,波长1030nm到1040nm范围,适用于生物成像。 对于非钛蓝宝石超快激光器,相干的Gallaher指出“产业中另外一个有趣的趋势是镱基超快激光器将成为钛蓝宝石的第一个取代者。我们的变色龙探索激光器就是一个例子,可调谐范围从680nm到1300nm比钛蓝宝石激光器调谐范围宽,次级输出固定在1040nm波段,是需要两种不同超快波段的光遗传学显微镜实验的理想解决方案。” 卡普坦-默南实验室也正在扩大其技术包括大型镱基超快激光器,虽然公司以钛蓝宝石激光器闻名,但是开发两者的目的都是科学研究。例如,翼龙再生钛宝石放大器可以低温冷却到50K,该公司表示消除热透镜可提升功率处理容量两个数量级。 其极紫外超快光源(XUUS)高次谐波生成系统利用中空波导将超快红外脉冲转换为极紫外(EUV)光或软X射线频段。 最新版的翼龙-500是与XUUS高次谐波系统配对优化,在30kHz处,翼龙-500-HHG发射45fs、300 μJ(平均功率9W)脉冲到XUUS毛细管波导,氩气加压产生相干EUV脉冲,光子能量达到43eV。这些EUV脉冲是研究材料中动态电子的光电能谱仪的理想解决方案。

超连续光谱生成

      超连续光源与超快激光器(通常是光纤激光器)和光纤结合,可以形成一个微结构或光子晶体光纤(PCF),为引起超连续光谱的非线性效应而制作一个非常小的纤芯直径,跨越两个以上光谱倍频程。 Fianium公司生产系列超连续激光器,光输出功率范围跨越200 mW 到 20 W,“低功率系统在预算有限的宽带光谱应用领域找到了牵引力,而高功率系统成为更加耗电应用领域的有用工具,”最近开发的OEM光源平均输出功率达到10W提供了低价版400到2400nm全频谱范围。Fianium公司还提供UV或IR优化频谱内容选择,以及可调谐滤波器阵列用于将宽带激光器转换成高度可调谐单波长光源。 用途包括荧光成像、荧光寿命成像显微术、OCT、流式细胞术、超高分辨率显微镜、纳米光子学表征和宽带光谱。 在20W,Fianium公司的WhiteLase SC480-20是目前市场上功率最强大的超连续白光光纤激光器。具备这样的高功率能力,开辟了新的应用空间如可调谐流式细胞仪和NIR光谱分析,等等。这些应用通常限制在单波长光源,有时也限制在非理想频谱区。随着功率超过10 mW/nm、频谱超过480到2500nm的激光器的开发,这些应用不再受限于单波长光源而变得真正可调谐,并且所有频谱变得可用。

       美国国家标准技术研究所开发的一种日光模拟器采用Fianium超连续谱光源使太阳能电池具有了前所未有的特性,它能够生成一个动态辐射光谱,模拟当日时间内、年份、地理位置和天气条件的变化。与灯基模拟器不同的是照明提供准直输出,像太阳光一样,还可以聚焦到显微镜上微米量级的光点。这一点式照明功能为研究人员开发光电器件创造了高分辨率二维有效图画。 任意可编程光谱和小焦点都特别适用于测试多结聚光太阳能电池,其中必须有各自连接点独立研究优化性能。聚光太阳能电池已经通过NIST测试,照明量超过500个太阳日。 NKT光子公司不仅生产超连续光源,还生产可以安装在平移台上的圆柱铝设备。用户可以将femtoWHITE设备和自身的超快激光器结合生产超连续光谱。这些设备有两种类型:一种产生倍频白光输出,另外一种是为CARS应用量身定制的双峰输出。 公司的SuperK至尊超连续激光器,也可以作为全套装置提供不同输出光谱版本。蓝光系列应用要求波长小于450nm,白光系列应用范围从460nm到2400nm要求高可见光功率,红光系列提供近红外最强的光应用于体内成像和OCT。紫罗兰SuperK至尊系列发射波长400到2400nm光。此外,紫外光谱扩展单元提供270到400nm深紫外波段,用于蛋白质的固有荧光激发以及紫外线激发荧光探针。

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