超快激光器的基础知识

作者: Olivia Wheeler

目录

• 超快激光器的特性
• 超快激光器的技术挑战
• 如何判断是否需要脉冲压缩?
• 脉冲压缩方法
• 超快激光器的应用
• 阿秒脉冲：超快激光器的未来

想象一下你用手机拍摄蜂鸟的情景。蜂鸟在你按下拍照键的瞬间倏然飞离，只在你的屏幕上留下一道模糊的残影。你的手机相机速度不够快以至于无法捕获到蜂鸟飞行时的清晰图像。

类似的困扰与局限促使科学界研发出脉冲持续时间在飞秒至皮秒量级 (10^-15 - 10^-12 秒)的超快激光器。这些激光器的设计并非用于捕获飞行中的蜂鸟图像而是被用来捕获比那快得多的事件，比如分子振动、电子运动，甚至是量子现象。^1,2,3 在百万分之一纳秒的时间尺度上，超快激光器不仅拓宽了人类对基础物理现象的认知边界，而且为工业流程带来了革命性突破。理解超快激光器的特性与这类系统所面临的关键挑战及有效解决方案有助于系统设计人员选择合适的超快光学元件用以成功构建 超快光学系统。

超快激光器的特性

超快激光器的超短脉冲持续时间使这些系统具备区别于长脉冲或连续波(CW)激光器的特性。为了产生如此短的脉冲，必须具备较宽的光谱带宽。脉冲形状与中心波长决定了生成特定持续时间脉冲所需的最小带宽。一般而言，这种关系可通过时间-带宽乘积(TBP)来描述，该关系源自不确定性原理。高斯分布脉冲的时-宽带乘积(TBP)由下式给出:

Δτ 表示脉冲的持续时间，Δν表示频率带宽。⁴ 从本质上来讲，该方程阐明了光谱带宽与脉冲持续时间之间存在反比关系，即随着脉冲持续时间的减小，生成该脉冲所需的带宽会相应增大。图 1 展示了支持不同脉冲持续时间所需的最小带宽。

除了宽光谱带宽外，超短脉冲持续时间的另一个特性是其极高的峰值功率，尽管这一特性在许多应用中非常有益，但也可能带来一些独特的挑战。为便于理解，我们比较一下10W连续激光器与脉冲持续时间为150fs、重复频率为80MHz 的10W超快激光器在峰值功率输出方面的差异。这种理论设计的超快激光器特性，普遍存在于多款市售超快激光设备中连续波激光器的平均功率与峰值功率相等; 激光器始终以10W或者10J/s的功率发射。超快激光器的平均功率仍为10W，与连续波激光器相同。然而，超快激光器是在极短的时间周期内完成这 10 W 平均功率的输出。图 2 展示了平均功率与峰值功率之间的显著差异。

对于超快激光器而言，10 W 的平均功率根据重复频率分布在每秒发射的 8000 万个脉冲中。初步来看，该激光器的亚微焦耳级脉冲能量似乎微不足道。然而，考虑到这部分能量在150fs的时间内聚集，其峰值功率可超过 800,000W。这一数值比平均功率高出四个数量级以上！尽管超高峰值功率与超短脉冲宽度正是超快激光器得以革新众多应用领域的核心特性，但这些特性也引发了操作超快激光器时特有的技术挑战

超快激光器的技术挑战

在您的系统中必须妥善处理超快激光器所具有的宽光谱带宽、高峰值功率和短脉冲持续时间等关键特性。通常，这些挑战中最容易解决的是激光器的宽光谱输出问题。如果您以往主要从事的是长脉冲或连续波激光相关工作，那么您现有的光学元件库存可能无法有效反射或透射超快激光脉冲的完整光谱带宽。Edmund Optics^® 提供多种专为高要求的超快激光系统定制的 超快光学元件 。

激光损伤阈值 (LDT)

超快光学元件的激光损伤阈值(LDT)相较于传统激光源存在显著差异而且其阈值特性更难调控 (图 3)。在选购纳秒脉冲激光器的光学元件时，光学元件的激光损伤阈值通常在 5-10 J/cm²量级。在超快光学领域，激光损伤阈值不会存在如此高的数值，而是低于1J/cm², 常见的是接近 0.3J/cm²。与脉冲持续时间相关的激光损伤机制会导致不同脉冲持续时间下的激光损伤阈值出现显著差异。引起纳秒激光器或脉冲持续时间更长的激光器损伤的主要机制是热效应。光学元件的镀膜和基底材料会吸收入射光子而导致温度升高。这可能引起材料晶格发生变形。热膨胀、开裂、熔化以及晶格应变等情况是此类激光源常见的热效应引起的损伤。⁵

然而，超快激光器的脉冲持续时间比激光向材料晶格传递热量的时间短，因此热效应并不是激光诱导损伤的主要原因 (图 4).相反，超快激光的高峰值功率使损伤机制转为多光子吸收、电离等非线性过程。⁶ 这也解释了为何不能直接将纳秒脉冲的激光损伤阈值按比例缩方用于超快脉冲，因为两者的物理损伤机制截然不同。因此，满足您特定需求的最佳光学元件应在相同波长、脉冲持续时间和重复频率等条件下具备足够高的激光损伤阈值。在不同条件下测试的光学元件不能反映您的系统中相同光学元件的实际性能。

色散与脉冲展宽: 群延迟色散

使用超快激光器时遇到的最具挑战性的技术难题之一是如何保持激光器初始发射的超短脉冲持续时间。超快脉冲极易受到时间畸变的影响而导致脉冲展宽。这种情况会随着初始脉冲持续时间的缩短而变得更严重。虽然超快激光器可以发射持续时间为50fs的脉冲，但在使用反射镜、透镜将脉冲传输至目标位置或者仅仅通过空气传播脉冲都可能导致脉冲发生时间展宽。

这种时间畸变使用一种称为群延迟色散(GDD)的指标来量化，群延迟色散也被称为二阶色散。实际上，存在更高阶的色散项可能影响超快激光脉冲的时间分布，但在实际应用中，仅考虑群延迟色散的影响通常已足够。群延迟色散是一个与频率相关的参数，对于特定材料而言，它与厚度呈线性关系。像透镜、窗口片和物镜组件这样的透射光学元件通常具有正的群延迟色散值，这意味着原本被压缩的脉冲在通过这些元件后，其持续时间可能会比激光系统发出时更长。脉冲中频率较低(即波长较长)的成分比频率较高(即波长较短)的成分传播速度更快。随着脉冲穿过越来越多的介质，其各波长成分在时间上的分离将持续加剧。对于较短的脉冲持续时间，对应较宽的光谱带宽，这种效应将被进一步放大并且可能导致脉冲产生显著的时间畸变。

对于持续时间处于纳秒至皮秒量级的较长脉冲，群延迟色散通常不是主要考虑因素。然而，对于较短的飞秒脉冲，即便光束路径中仅包含一片厚度为10mm的 N-BK7 玻璃，也可能使中心波长为 800nm 的50fs 脉冲展宽超过12%! 这大致相当于在光路中引入两片光学窗口或滤光片

群延迟色散对您具体应用的影响取决于多个因素，包括输入脉冲持续时间 (τ_input), 中心频率(或波长)，以及脉冲所传播的介质材料。由群延迟色散引起的时间展宽可由以下公式描述

公式 1 清楚地表明，在相同群延迟色散值下，较短的输入脉冲持续时间相比于较长脉冲将经历更显著的展宽。这正是在纳秒或皮秒脉冲中通常不考虑群延迟色散的原因。例如，将一个1ps脉冲展宽仅仅0.2%，就需要20,000fs²的群延迟色散。 接下来内容中的示例表明，这相当于将一个1030nm的脉冲在超过1m 的熔石英中传播。

材料的折射率取决于通过它的光波频率，而群延迟色散与折射率之间也存在类似的依赖关系。在为超快系统选择透射和折射光学元件时，通常建议使用熔融石英，因为它在可见光和近红外波段具有最低的群延迟色散值之一。例如，将一个1030nm的脉冲通过1mm的熔石英会产生约19fs² 的群延迟色散；但在相同波长下，通过1mm 的SF11会产生超过125fs² a的群延迟色散。^7,8 折射率数据库，如 refractiveindex.info，是判断哪种材料最适用于光学元件，以及评估光束路径中累积群延迟色散的重要工具。

由于群延迟色散的正向倾向和时间畸变的特性，强烈建议使用专用的 超快光学 元件，这类光学元件引入的额外群延迟色散极小，甚至可以忽略，从而降低脉冲持续时间延长的可能性。

如何判断是否需要脉冲压缩?

在什么情况下需要对激光脉冲进行(重新)压缩? 多光子显微镜等超快成像中的图像模糊可能表明激光脉冲在时间上发生了展宽。在超快激光加工中，脉冲展宽可能导致切割不够精确以及加工精度降低。延长脉冲持续时间会降低多光子相互作用的概率从而降低超快系统的效率。虽然无法针对所有情况给出绝对通用的准则，但下面的示例计算有助于说明在判断是否需要进行脉冲压缩时可参考的一些最佳实践。

以一个多光子显微镜系统为例，其光路如图 5所示。

在激光到达样品之前，通过累加系统中所有元件的群延迟色散值从而得到脉冲展宽量的一阶近似值。我们假设色散的主要来源为扩束器、二向色滤光片和聚焦物镜。我们将忽略扫描镜的影响，因为扫描镜通常采用低群延迟色散的金属镀膜制成。如果脉冲的中心波长为1030nm，那么该系统很容易引入超过 600fs² 的群延迟色散。

系统中脉冲是否需要压缩取决于输入脉冲的持续时间和具体应用需求。如果起始脉冲为150fs，通过光学元件的传输对脉冲持续时间的影响可以忽略不计。然而，如果您的应用所需的时间分辨率只能通过10fs激光脉冲实现，那么如此大的群延迟色散将会把初始脉冲展宽至大约167fs。在这种情况下，需要对脉冲重新压缩。具体的细节在很大程度上取决于您设计的光束路径和应用。如果您需要根据脉冲持续时间和具体应用选择合适的光学元件，欢迎联系我们获取技术支持。

脉冲压缩方法

如果您需要对超快激光脉冲进行(重新)压缩，可采用多种不同的方法。以下各部分总结了几种常见脉冲(重新)压缩技术以及这些技术的优缺点。

棱镜和光栅压缩器

棱镜 通过对脉冲中各个频率分量施加与频率相关的延迟，从而压缩超快脉冲的持续时间。这种效应源于光的色散，即不同波长在材料中所经历的折射率差异 (图 6).由此产生的光程差使脉冲中不同波长在时间上对齐。光栅压缩器 采用类似的机制对脉冲进行压缩，但光栅压缩器通过衍射而非折射来区分不同波长并重新压缩脉冲。然而，棱镜压缩器与光栅压缩器不仅调试困难，还会向脉冲引入高阶色散，进而造成时间波形畸变

优点

• 可通过调整元件间距、棱镜中的光程长度以及光栅刻线密度实现连续调谐。
• 可支持非常宽的带宽范围
• 适用于调节极短的脉冲

缺点

• 对初学者而言对准非常困难
• 会引入高阶色散进一步扭曲脉冲的时间波形
• 容易在空间中分离脉冲的各频率分量(即产生“空间啁啾”)

脉冲压缩反射镜: 啁啾反射镜

啁啾反射镜 是我们将要讨论的两种脉冲压缩反射镜之一。它们的工作原理是通过在镜面镀膜中形成与光波长相关的穿透深度 (图 7).与棱镜和光栅压缩器的原理类似，啁啾反射镜会对不同波长的光施加不同的延迟。这种效应的产生源于某些波长在镀膜中传播得更深。初始的正色散得到补偿并且所有波长最终同时从镀膜中出射。此时，脉冲已被重新压缩。啁啾反射镜通常具有较大的群延迟色散振荡，因此应成对使用 互补啁啾反射镜 以获得近似平坦的群延迟色散输出。

优点

• 支持宽带宽
• 通常具有较小的入射角，使光束能够在啁啾反射镜对的两面镜子之间多次反射
• 相较于棱镜和光栅更易对准

缺点

• 仅提供离散步进的群延迟色散（GDD）调节，且不具备连续调谐功能
• 由于群延迟色散存在振荡，必须成对互补使用反射镜
• 受限于其特定带宽，应用范围有限
• 相比其他方法，通常具有较小幅度的群延迟色散

例如，在补偿少量群延迟色散或在不同的设备之间切换时，比如在钛蓝宝石激光器和掺镱激光器之间切换时，啁啾反射镜对会是一个非常好的选择。图 8: 显示了一对互补啁啾反射镜的示例群延迟色散曲线图，其中“L” 和“S” 表示该镜对中各个镜面的响应，“∑” 表示它们的总响应。

脉冲压缩反射镜: 高色散反射镜

高色散反射镜 将啁啾反射镜中的频率相关穿透深度与多重共振效应相结合，在减少振荡的同时实现更大的群延迟色散。虽然高色散反射镜所覆盖的带宽可能比上述方法略窄，但许多高色散反射镜的设计可在其额定带宽范围内实现极高的反射率 (图 9).

优点

• 可实现大幅度的群延迟色散
• 通常采用较小的入射角，适合在多反射镜系统中实现多次反射
• 与棱镜和光栅相比更易对准
• 无需像互补啁啾反射镜那样成对使用
• 通常具有较高的反射率从而在整个系统中产生更少的光损耗

缺点

• 仅提供不可连续调谐的群延迟色散（GDD）离散步进调节功能
• 受到其额定带宽限制

高色散反射镜是固定系统中补偿大量群延迟色散的理想选择。高色散反射镜的反射率和群延迟色散曲线示例如 图 10 和 图 11所示。

对超快激光脉冲进行重新压缩的时机判断与方法选择在很大程度上取决于具体应用，但掌握各类方法及其优缺点的基础知识，将使您在系统设计中游刃有余。如需确定最适合您系统的脉冲压缩方案，欢迎随时 联系我们获取技术指导。

超快激光器的应用

光谱学

自超快激光光源问世以来，光谱学便成为其最主要的应用领域之一。超快激光器通过将脉冲持续时间压缩至飞秒甚至阿秒级，使物理、化学与生物领域中以往难以观测的动态过程得以实现探测。这些关键过程之一是原子运动，对原子运动的观测加深了人们对分子振动、分子解离以及光合蛋白中能量转移等基础过程的科学理解。^9,10

生物成像

超快激光器的高峰值功率支持非线性过程用以提高生物成像的分辨率，例如应用在多光子显微成像中 (图 12).在多光子系统中，两个光子必须在空间和时间上同时重合才能在生物介质或荧光靶中产生非线性信号。这种非线性过程通过大幅降低困扰单光子成像研究的背景荧光信号，从而提高成像分辨率。¹¹ 图 13展示了通过非线性过程降低后的背景信号。 多光子显微成像较小的激发区域而且可以有效避免光毒性并且最大限度减少对样品的损伤。

激光材料加工

由于超短脉冲与材料之间独特的相互作用方式，超快激光光源进一步革新了激光微加工与材料加工技术。如前文在讨论激光损伤阈值(LDT)时所述，超快脉冲的持续时间短于热扩散传导至材料晶格的时间尺度。超快激光器与纳秒脉冲激光器相比产生的热影响区更小，从而减少了切缝损耗同时使加工更加精确。¹² 这个原理同样适用于医疗领域，其中超快激光切割所带来的精度提升有助于减少对周围组织的损伤，并且改善了患者在激光手术中的体验。¹³

阿秒脉冲: 超快激光的未来

随着对超快激光技术研究的不断深入，科研人员正持续开发出脉冲持续时间更短的新一代改进型光源。为了探索更快的物理过程，许多研究人员正专注于阿秒脉冲的产生——即位于极紫外 (XUV)波段内持续时间在10^-18 秒量级的脉冲。阿秒脉冲使电子运动观测成为可能，深化了人类对电子结构与量子力学的认知¹⁴。尽管极紫外（XUV）阿秒激光器在工业流程中的应用尚未广泛普及，但该领域不断推进的研究与技术突破，必将推动此项技术走出实验室、走向生产线——正如飞秒与皮秒激光源的发展轨迹

现货供应的超快光学元件

• 脉冲压缩光学元件(高色散反射镜、啁啾反射镜、光栅和棱镜)
• 透镜、滤光片、偏振器等等
• 反射式物镜与扩束器

立即购买

超快光学元件定制

• 高色散反射镜、低群延迟色散光学元件和激光扩束器
• 高功率超快激光器腔内和腔外的光学元件
• 三阶色散为0 fs^3, 或负值低至 -2500 fs³
• C具有高性价比的超快增强型银镀膜在常见超快波长范围内可实现反射率R>99%，群延迟色散(GDD)低至 0 ±20fs²

了解更多

参考文献

1. Bredenbeck et al. “Labeling Vibrations by Light: Ultrafast Transient 2D-IR Spectrosocpy Tracks Vibrational Modes during Photoinduced Charge Transfer.” J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5, 990-991
2. Camargo et al. “Visualizing Ultrafast Electron Transfer Processes in Semiconductor-Metal Hybrid Nanoparticles: Toward Excitonic-Plasmonic Light Harvesting.” Nano Lett. 2021, 21, 3, 1461-1468.
3. Maiuri et al. “Ultrafast Spectroscopy: State of the Art and Open Challenges.” J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 3-15.
4. Lazaridis et al. “Time-bandwidth product of chirped sech2 pulses: application to phase-amplitude-coupling factor measurement.” Opt. Lett. 1995, 20, 10, 1160-1162.
5. Wood, R. “Laser-Induced Damage by Thermal Effects.” Laser-Induced Damage in Optical Materials. 2014, 9-24.
6. Jing et al. “Calculation of femtosecond pulse laser induced damage threshold for broadband antireflective microstructure arrays.” Optics Express. 2009, 17, 26, 24137-24152.
7. I. H. Malitson. Interspecimen comparison of the refractive index of fused silica, J. Opt. Soc. Am. 55, 1205-1208 (1965).
8. SCHOTT Zemax catalog 2017-01-20b (obtained from http://www.schott.com)
9. Geßner et al. “Femtosecond Multidimensional Imaging of a Molecular Dissociation.” Science Reports. 2006, 311, 219-222.
10. Zigmantas et al. “Ultrafast laser spectroscopy uncovers mechanisms of light energy conversion in photosynthesis and sustainable energy materials.” Chem. Phys. Rev. 2022, 3, 041303.
11. Sheppard, C. J. R. “Multiphoton microscopy: a personal historical review, with some future predictions.” J. Biomed. Opt. 202, 1, 014511.
12. Phillips et al. “Ultrafast laser processing of materials: a review.” Advances in Optics and Photonics. 2015, 7, 4, 684-712.
13. Hoy et al. “Clinical Ultrafast Laser Surgery: Recent Advances and Future Directions.” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2014, 20, 7100814.
14. Li et al. “Attosecond science based on high harmonic generation from gases and solids.” Nature Comm. 2020, 11, 2748.

更多资源

• 超快色散应用说明
• 高色散反射镜应用说明
• 超快激光应用: “短脉冲革新”网络研讨会回放
• “超快显微成像中的激光与光学元件选择”网络研讨会回放
• 超快光学: “挑战与解决方案”网络研讨会回放
• 超快激光–超快相干性的基本原理应用说明
• 超快激光器的激光诱导损伤阈值(LIDT)应用说明