飞秒激光和皮秒激光有什么不同

自20世纪60年代中后期激光锁模技术发明以来，人们就可以从激光器中获得皮秒（10-12s）及飞秒（10-15s）量级脉冲输出。从此激光脉冲进入了超短脉冲的时代。这两者有很多的共性，但又有不少差异。

对增益介质的要求不同

根据傅里叶变换，对于一个1 ps的1064 nm中心波长的激光脉冲，其光谱宽度只有1.5 nm。几十皮秒的激光器的光谱宽度更窄，以至于都无法用分辨率相对较低的光谱仪准确测量出光谱宽度,如图1。而对于飞秒激光器，以100 fs的1030 nm激光为例，其光谱宽度就达到了15 nm左右，超出了很多增益介质的能力，如图2。能支持30 fs以下脉冲宽度的激光介质则更加少见。

图1 皮秒脉冲对应的时间和光谱宽度

图2 飞秒激光脉冲时间宽度（自相关曲线）及其对应的光谱宽度

皮秒激光和飞秒激光都能通过激光锁模的方式获得

对于飞秒脉冲来说，锁模几乎是唯一的实现手段，但对于皮秒脉冲，特别是10 ps量级的脉冲，可以通过增益开关技术直接从半导体激光器中获得。因此，相对来说皮秒激光器成本可以更低。由于飞秒脉冲太短，即使只有微焦量级的脉冲能量，脉冲的峰值功率也可以达到几十兆瓦（MW）量级，因而在传输过程中有非常大的非线性效应，要么破坏光学元器件，要么脉冲本身的特性受到影响。所以，飞秒激光更难获得高平均功率和高脉冲能量。高平均功率和高脉冲能量的飞秒激光脉冲需要采用啁啾脉冲放大（CPA）技术来实现，结构复杂，稳定性较低，成本较高，如图3所示。

图3 为获得高脉冲能量和极高峰值功率的飞秒脉冲啁啾放大示意图

皮秒激光和飞秒激光同物质相互作用的优劣稍有不同

根据汉诺威大学Chichkov等提出的双温模型，金属中电子与晶格的作用时间基本在若干ps量级。因此，若干皮秒至飞秒量级的激光脉冲都可以实现金属材料的“冷加工”，即晶格的温度一直保持比较低，不会出现熔融状态的“热区”，激光照射的区域内物质直接通过气化的形式脱离出去，形成很整洁和精密的加工形貌。皮秒脉冲相对来说更容易做到具有较高的脉冲能量，因此若干皮秒量级的脉冲激光器是金属精密加工的首选。

超短脉冲激光与透明介质相互作用时多光子电离等非线性效应占主导地位。飞秒激光更容易达到非线性阈值，对材料的吸收特性适应性更广，不需要频率转换到较短的蓝光甚至紫外波长。因此在透明介质加工（打标、钻孔、切割等）以及波导刻写等场合飞秒量级的脉冲激光器更具有优势。此外，在超分辨率加工方面，飞秒激光以其极高的峰值功率和较低的平均功率，在与光子硬化透明材料相互作用时，可以通过多光子吸收过程得到纳米量级分辨率的超精细结构，且不至于由于过多的能量而破坏有机聚合物。表1为几种常见材料的加工与对应的超短脉冲激光的选择。

表1 几种常见材料的加工与对应的超短脉冲激光的选择

飞秒脉冲比皮秒脉冲在泵浦探测以及基于脉冲飞行时间的距离测量等方面的分辨率更高

飞秒激光成像技术是一种基于飞秒激光脉冲的成像技术，能够在极短的时间内获取高分辨率的图像。它的原理是利用飞秒激光的短脉冲时间，使得光在物体表面反射或透射时，只有极短的时间与物体相互作用，从而得到高分辨率的图像。

飞秒激光成像技术可以应用于生物医学、材料科学、电子学等领域，具有非常广泛的应用前景。

从纳秒、皮秒到飞秒：优化激光微加工效果的脉冲宽度

任何加工工艺的目标都在于以最经济的方式、在最短时间内达到所希望的高品质效果。与切、铣、钻等常规机械加工技术相比，激光加工可以实现局部、高质量的精准加工。正确选择激光器，可以实现高收益、高产出和经济的加工过程。

移动设备制造是大量使用激光器的一个重要行业。生产更小型、更快速、更轻质并且成本更低的移动设备，需要能满足这一挑战的激光微加工工艺。其它行业，如医疗设备制造、清洁能源、汽车和航空航天等产业，也不同程度地采用了激光加工技术。

尽管有好几个激光参数都会影响加工效果，脉冲宽度的选择则是对精度、生产能力、质量和工艺经济性影响最大的因素之一。脉冲宽度在纳秒至飞秒范围内的脉冲激光器，通常被用于各种材料的精密微加工。本文描述了对常用于微加工领域的纳秒、皮秒和飞秒激光器，如何在生产能力、质量和成本之间进行权衡。

纳秒级脉冲宽度已建立的认知是，对于相同的平均功率，纳秒激光器可带来较高的材料去除速率，因此，与皮秒、飞秒激光器相比，其生产能力更高，这是由于大部分材料的去除是通过熔化工艺实现的。激光脉冲将材料从室温加热到其熔化温度，并最终通过蒸发和逐出熔料而被去除。

然而，由于被去除的熔化材料常常会附着在被加工部位的边缘并重新固化，因此使加工精度和质量受到不利影响。保留在材料中的残余热量还会在被加工部位产生所谓的热影响区(HAZ)。同时，一些被熔融物可能会飞溅到被加工部位，从而造成加工质量不良。

然而，如果增加一些成本，采用绿光、紫外(UV)波长或波长更短的纳秒脉冲宽度激光器，便可缓解上述副作用。特别是UV纳秒激光器可显着降低热影响区，因为大多数材料的吸收深度均较浅。UV纳秒激光器还具有加工较小形状时所需的焦斑大小更紧实、焦距更深的优势。

图1:在铜—聚酰亚胺—铜FPCB 膜上钻出的一个微孔，孔径80μm,成孔边缘的毛刺平均高度仅约2μm。

UV纳秒激光器在功能和成本方面的最新发展，加速了其在精密微加工领域的应用。例如，美国理波(Newport)旗下公司Spectra-Physics 推出的两款UV 激光器Talon和Explorer引领UV激光器行业实现了一次大幅度的性价比提升，通过多年努力带来了3倍以上的单位瓦特成本改善。因而，这些激光器已被广泛使用于各类应用中，如UV打标、薄膜图案装饰、印刷电路板切割，并通过钻削在高产量的条件下实现精细的外形。图1显示了采用Talon UV激光器，在铜—聚酰亚胺—铜柔性印刷电路板(FPCB)膜上钻出的一个微孔，其孔径80μm,成孔边缘的毛刺极细微，平均高度仅约2μm。

另一方面，Spectra-Physics的Quasar紫外混合光纤激光器可提供大于 60W的高重复率、灵活、且可编程的UV短纳秒脉冲。这种功能组合大大拓宽了UV纳秒激光器的可用参数空间，并能实现诸多材料的高质量、高产能加工，包括半导体、陶瓷、玻璃、蓝宝石、电池箔等用于制造移动设备的一系列材料。未来，UV纳秒激光器的单位成本曲线将进一步拉低，同时进一步增强的能力可以继续扩展其在大规模生产领域中的应用。

纳秒与皮秒加工对比纳秒与皮秒激光器的早期研究显示，当使用皮秒激光脉冲代替纳秒脉冲进行加工时，不锈钢的熔化情况会减少。多项其它研究已表明，当采用皮秒激光器进行微加工时，加工质量—被定义为激光加工部位边缘的热影响区广度、碎片形成、熔融物积聚以及飞溅等方面均有提升。同时，按单位面积能量(mJ / cm2)测得的最小能量密度来定义，皮秒激光脉冲的材料去除阈值比纳秒激光脉冲要低得多。

由于较短的皮秒脉冲宽度有助于以单次脉冲较低能量去除材料，因此可以实现高峰值功率。但是，从实用角度来看，大多数切割或钻孔工艺是在远高于材料去除阈值的能量密度下进行的，而平均功率相同的纳秒激光器能够比皮秒激光器提供更高的生产量。因此如果对加工来说，质量更为重要，那么就应当使用皮秒激光器而非纳秒激光器。

　　

　　图2:分别采用UV纳秒激光器(a)和绿色皮秒激光器(b)在Gorilla 玻璃上划线

一旦做出选择，则应采用适当功率的皮秒激光器以满足生产能力的要求。图2显示了在类似工艺条件下(平均功率30W、脉冲重复频率1 MHz),分别采用UV纳秒或绿色皮秒激光器，在0.7毫米厚的Gorilla玻璃(一款环保、轻薄玻璃，被用作高端显示设备的保护层)上刻纹的结果。采用UV纳秒激光器划线深度可达约70μm,而采用绿色皮秒激光器则仅可达约40μm。但是，采用UV纳秒激光器加工的玻璃边缘豁口约 18μm,采用绿色皮秒激光器则仅约9μm。

皮秒激光器与纳秒激光器相比较，除了质量上的优势及生产能力上的劣势，还应考虑经济性，这是由于皮秒激光器的前期投入成本和经营成本通常都更昂贵。Spectra-Physics公司的IceFyre工业级皮秒激光器是集高功率、超短脉冲、前所未有的通用性、重复频率可调、可编程灵活调节脉宽、脉冲可按需触发等诸多功能于一身，并且具有很好的成本优势。在1064nm波长处可提供大于50W的平均功率和大于200μJ的脉冲能量，是精密加工蓝宝石、玻璃、陶瓷、塑料及其他材料的理想光源。同时，它也使得超快激光器真正实现规模化的工业应用。

皮秒与飞秒加工对比谈到更短的脉冲宽度，在用于微加工的皮秒与飞秒激光脉冲宽度之间的选择，取决于材质、质量要求以及经济方面的考量。飞秒激光器可以提供优于皮秒激光器的加工质量，但其更高的激光器成本也必须加以考虑。皮秒和飞秒激光器均能提供高峰值功率，从而降低材料去除阈值能量密度。对于许多材料而言，飞秒激光脉冲的去除阈值能量密度低于皮秒脉冲。但是，在大多数能量密度水平高于阈值的实际加工过程中，材料去除率是与材质息息相关的。

一项研究表明，由于脉冲宽度从10ps 减小到900fs,不锈钢的材料去除率上升，而氮化铝的去除率则随着脉冲宽度的减小而降低。在加工热敏性聚合物，如加工制造可降解支架的左旋聚乳酸(PLLA)、或用于有机LED显示器(OLED)薄膜时，飞秒激光脉冲必须注意避免熔化损伤和热损伤。　　

　　图3:分别采用皮秒激光器(a)和飞秒激光器(b)切割左旋聚乳酸(PLLA)边缘

图3a显示的是采用一款10ps脉冲宽度的皮秒激光器加工PLLA的边缘熔化情况，图3b显示了一个采用400fs脉冲宽度的Spectra-Physics激光器加工出的整齐边缘。所以，对于某些特定类型的材料，因为特性的关系，以及皮秒激光器无法达到其加工质量要求，必须采用飞秒激光器。与纳秒、皮秒激光器一样，飞秒激光器的性价比也在逐步提升。

总结虽然任何单一的激光脉冲宽度都无法满足所有材料加工的要求，脉冲宽度的选择对于加工质量、生产能力和成本研究具有显着的影响。基于此，应根据材质、期望质量、生产能力和成本等要素来选择适合的激光器。一般来说，纳秒激光器可提供一个比皮秒和飞秒激光器更为经济、生产能力高、质量水平合理的解决方案，尤其是UV纳秒激光器能在诸多应用中提供一个高质量、高生产能力的“制胜点”。

然而，对于薄金属、透明材料和热敏材料，皮秒和飞秒激光器则可提供加工质量优势，在要求最佳加工质量的情况下，皮秒或飞秒激光器将是微加工的理想之选。新型大功率工业级皮秒和飞秒激光器，能提供更高的生产能力，以及更高的质量和更低的单位成本。

飞秒激光脉冲的光谱宽度更宽，通过光子晶体光纤产生超连续光谱时光谱的相干性更高，通过精密的脉冲包络以及载波-包络相位控制技术，可以获得超高精度的激光频率梳，在精密光学计量、精密光谱测量以及精密绝对距离测量等方面正展现出前所未有的影响力。图4为双光梳精密光谱测量示意图。

图4 双光梳精密光谱测量示意图。此方案利用了双光梳快速互扫描（微秒量级）和极高的频率分辨率，正成为精密光谱（和测距）领域的研究及应用前沿

飞秒激光的简介

飞秒激光脉冲的持续时间10-15 s,即飞秒（Femtosecond——fs），它相当于电子缠绕原子核半周的时间，以光速计算，在1 fs的时间内，光传播了0.3 um，可见飞秒这一单位的时间之微。这样极端微小的时间在我们所看到的宏观世界里是无法找到它的踪迹的。但是，在由基本粒子所组成的微观世界里，其运动状态的改变常常发生在飞秒这样极短的时刻，如分子的能量转移、化学键的破裂和形成、原子的横向弛豫和纵向弛豫，半导体中载流子的激发和复合等。正是由于这个缘故，在飞秒激光诞生后的相当长的一段时间内，飞秒激光主要是用来研究物理、化学领域微观过程超快现象的一个先进技术，从而在物理、化学和生物领域完成了大量的超快过程的研究，发现了大量的新的超快现象，解释了大量原子、分子微观运动规律，成为多个基础学科研究领域中相当引人瞩目并获得累累成果的研究方向。

飞秒激光的功率

飞秒激光的峰值功率是指脉冲持续时间内所具有的瞬时功率，即E/r，E为飞秒脉冲包络内所携带的能量，r为飞秒脉冲包络的极大值一半所应对的时间宽度。由于r为极短的10-15 s量级，即使其携带的能量为毫焦耳量级（10-3 J）,其峰值功率也高达1012 W(TW，太瓦)以上，它相当于全世界发电功率之和。目前的飞秒激光放大系统可以输出高达1015 W（即PW，拍瓦）峰值功率的飞秒激光。如此超强峰值功率的飞秒激光脉冲，聚焦之后其焦点区域内所具有的电场强度已经远远超过原子和对其价电子的库仑力。在其作用下，任何固态和气态物质都会在瞬间变成等离子体。由此发展起来的超快超强激光物理正在形成强场物理研究领域一个新的分支，并被应用到激光受控核聚变、同步辐射加速器等大科学工程中。正在兴起的飞秒激光微纳精细加工技术，也正是利用了飞秒激光超高峰值功率这一特点，在晶格热传导过程还来不及发生时，飞秒激光已经在微纳尺度内完成去除物质或使其改性的物理过程后，扬长而去。

飞秒激光的波长

当前由飞秒激光器直接输出的波长主要集中在0.8-1.5 um的近红外波段，但是由它激发而产生的飞秒激光脉冲激光却覆盖了从X射线到太赫兹这一广阔领域，利用超强飞秒激光和电子束相互作用的汤姆逊散射效应，可以产生相干的硬X射线，波长达0.4 Å。飞秒强激光与惰性气体原子相互作用而引发的高次谐波，可获得软X波段的相干辐射，波长可覆盖十纳米至几纳米。飞秒激光在晶体中的二倍频、四倍频、六倍频效应可将近红外的飞秒激光变换至可见、紫外、极紫外和真空紫外，直至150 nm，与高次谐波的软X波段相接。利用飞秒激光在晶体中的参量振荡和参量放大过程中，可以在近红外，甚至红外波段实现宽频谱范围的调谐。

除此之外，利用飞秒激光在非线性介质中的传输，可以发生自相位调制，四波混频，孤子自频移和超连续等多种非线性效应，这些效应都可以使飞秒激光器输出的光脉冲从单一波长变换到紫外至红外波段。特别值得提出的是，太赫兹波这一在大分子领域极具应用价值的亚毫米波长的辐射，在人类征服了X射线-紫外-可见-红外-无线电波的漫长时间后，终于在20世纪80年代，借助飞秒激光技术，实现了10 um-3 mm波段的相干辐射。飞秒激光覆盖光谱范围极广的另一层含义是，飞秒脉冲内包含着数量极大的分立的相干光谱成分。一个脉冲宽度数十飞秒的脉冲可以包含高达百万个频谱成分，相当于上百万个具有不同中心波长的保持相等频率间隔的连续波激光器。

飞秒激光器

飞秒激光器(Femtosecond Lasers)是可以发射脉冲宽度小于1ps的激光器，也就是说脉冲宽度在飞秒时间域内（1 fs = 10?15?s）。飞秒激光器常用被动锁模技术实现飞秒脉冲，将可饱和吸收体放在激光谐振腔内，当其上能级寿命小于光脉冲在腔内往返一次的时间2L/c时，则可得到一系列锁模脉冲。

飞秒激光器的主要类型

固体飞秒激光器

被动锁模固体飞秒激光器能发出高质量的超短飞秒脉冲激光，典型的脉冲宽度从10 fs至几百fs。各种二极管抽运激光器，如基于掺钕或掺镱的增益媒介，在这种体系中，典型的平均输出功率在100 mW和10w之间。应用先进的色散补偿的钛蓝宝石激光器甚至可适用于持续时间小于10 fs的脉冲，极限情况下可以达到约5 fs。飞秒振荡器脉冲重复频率在大多数情况下为50 MHz到500 MHz，飞秒放大器可实现mJ至J的单脉冲能量输出，重复频率通常在1MHz以下。

飞秒光纤激光器

大多数情况下飞秒光纤激光器也采用被动锁模机制，提供的典型脉冲持续时间在30到500 fs，重复频率20MHz到GHz。飞秒光纤激光器平均功率通常不高，从mW至5W不等，但是可通过与光纤放大器结合，可拥有更高的平均功率和脉冲能量。目前飞秒光纤激光器技术日趋成熟，在很多科研和工业应用中正逐步取代固体飞秒激光器。

染料激光器

钛蓝宝石激光器出现之前，超短脉冲产生领域由染料激光器主导。染料激光器的增益带宽允许脉冲持续时间为10 fs级别，不同的激光染料适用于各种发射波长，且常在可见光谱的范围内。由于染料激光器一些处理中的缺点，飞秒染料激光器不再经常使用。

半导体飞秒激光器

一些锁模二极管激光器可以产生飞秒级别的脉冲。在激光器的直接输出端，脉冲持续时间通常至少几百飞秒，但利用外部脉冲压缩，可以获得脉宽更短的脉冲。被动锁模的垂直外腔面发射激光器(VECSELs)也是可能实现的；这种类型的激光器受关注，主要是因为它可以提供一种结合的特点，短脉冲持续时间，脉冲重复率高，时而有很高的平均输出功率，但是它不适合于很高的脉冲能量。

飞秒激光器典型应用：

太赫兹：

太赫兹介于远红外和微波之间，通常把 0.1-10THz 频段被称为太赫兹波段。飞秒激光作为产生太赫兹的工具之一，可激发光电导天线PCA、非线性晶体（ZnTe、LiNbO3、DAST 等）产生短脉冲宽光谱太赫兹辐射。目前常见的太赫兹时域光谱系统、太赫兹近场扫描成像系统等均配备800nm或1.5um飞秒激光器。

太赫兹近场扫描成像原理图

超快光谱：

时间分辨光谱学是应用非常成功或者是应用较广泛的飞秒激光技术。物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。它主要是把超短脉冲作为一种拍摄超快物理过程的瞬态摄影设备，就好像几十年前用于拍摄穿越苹果和牛奶滴落的闪光高速摄影像机（微秒量级）一样。

高速电子测试：

高速电子设备开发过程中测试是非常重要一环，而测试设备往往比被测试的设备速度还慢。现在较快的电子设备达到了ps范围，那么飞秒激光可以很容易的产生亚ps的电子脉冲对高速电子设备进行测试。

激光-等离子体相互作用：

用光强大于1013W/cm2的激光照射固体材料时，可以将原子中的电子电离出来，形成激光诱导等离子体。在100fs的时间尺度上，等离子体中的自由电子来不及逃逸，可以研究温度高达百万度的密度与固体相近的等离子体

飞秒激光等离子体丝 LIBS 实验装置图

短波长辐射产生：

高强度可见光波段超短脉冲激光可以通过更高阶次非线性谐波产生过程或泵浦x射线激光器来产生真空紫外和x射线波段的相干短波辐射。例如相干短波辐射可用来研究DNA的微观结构

光通信：

低传输损耗光纤具有可和100fs脉冲相比的带宽，因此超短脉冲技术在光通信中将扮演重要角色。目前亚皮秒脉冲已经被应用在传输速率达到Tbits/s的实验室设备中。在这方面，超短脉冲技术不仅仅在超短脉冲的产生方面重要，在信号处理、数据检测、用于辨别和优化超短脉冲传输的先进测量学方面也同样重要。另外，对于WDM系统，超短脉冲具有极宽的带宽，因此能提供更多的信道。

生物医学应用：

飞秒激光在生物医学成像方面有大量的应用，例如在散射介质中光学成像以及获得高分辨率的深度信息，例如OCT。在共焦显微成像系统，基于双光子激发提高空间分辨率已经被演示。超短激光脉冲具有高峰值功率，低激光能量的特点使其在激光*中具有重要作用，可以避免热效应导致的敏感组织的附带损伤。

植物根茎双光子显微成像

材料微加工：

高功率激光已经被用在很多工业领域，例如切割和打孔。对于连续激光和长脉冲激光，切割的尺寸限制和加工质量被激光焦点对周围物质的热扩散所限制。利用飞秒激光，可以使用低能量、高峰值功率的激光进行材料处理，能够产生新的物理机制，减少材料的热堆积，提高切割和打孔质量。

激光控制化学：

通过对飞秒激光的波前进行特殊设计来影响光致光学反应过程，利用时间分辨光谱观察化学反应过程，更进一步的发展是控制化学反应过程。由于化学反应过程在几十到几百飞秒时间内，所以飞秒激光脉冲是非常合适的工具

化学分子在飞秒激光作用下的分离过程

飞秒激光的应用与发展

复杂的桌面挤满了用户构建的组件和无数需要日常关注的离散光学器件，已经让位于为满足飞秒应用领域快速变化的世界而量身定制的单盒系统。这种转变的早期例子是用于多光子显微镜的可调谐激光器，紧随其后的是强大的工业一体式激光器，用于支持从支架切割到 OLED 加工的微加工应用。

飞秒激光脉冲可以从两种材料之间的界面或任何非中心对称的材料中产生少量的二次谐波光。产生的二次谐波光信号可以无损检测和成像半导体晶圆表面上下的特征，例如结构缺陷、薄膜质量，甚至微量金属污染。由 FemtoMetrix 提供。

如今，这一发展趋势的最新示例包括一系列功率范围小于 5W 的鞋盒尺寸密封激光器，在关键工作点具有固定波长，包括 780、920 和 1064 nm。这些用户友好型激光器进一步提供了与应用相关的参数，例如短脉冲宽度和高光束质量、优化最终脉冲宽度的预补偿以及输出功率的快速调制和控制。

新一代超快激光器经过专门优化，可支持终端市场的用户需求，例如增材制造、医学、半导体计量和应用研究。

纳米制造

激光可用于许多增材制造 (AM) 工艺，包括金属的激光烧结和聚合物的立体光刻。这些过程中的每一个都提供了一种无需掩模或模具即可创建复杂而独特的结构的方法。增材制造对于小规模生产应用特别有价值，例如零件的快速原型制作或个性化医疗植入物。

一种新兴的 AM 方法是一种称为双光子聚合的立体光刻技术，由于多种原因，它正在迅速引起人们的兴趣。首先，它能够比任何其他 AM 方法具有更高的空间分辨率。其次，它是一种三维自由成型工艺，因此它不受激光烧结或单光子立体光刻的加工限制的限制，其中零件必须从下向上或自上而下逐层创建。

紧凑、免提飞秒激光器的出现使双光子聚合等技术在许多行业和应用中更加经济可行。

激光技术是如何做到这一点的？在立体光刻中，激光束聚焦到光敏树脂浴中。当合适波长的光(通常是紫外光)照射到这种树脂上时，它会破坏聚合物的键，材料变得具有反应性，从液态单体化学物质中形成固体聚合物。

双光子聚合是一种具有较高空间分辨率的三维自由形式增材制造技术，能够生产极小的零件和特征。新的飞秒激光器使双光子聚合技术在经济上更加可行。由 Wildman 实验室/诺丁汉大学提供。

此过程允许直接从 CAD 文件创建几乎任何形状，并且原材料并不昂贵。在双光子方法中，超快激光被定制为树脂通常吸收的正常波长的两倍。通过使用高数值孔径 (NA) 光学器件，光束被聚焦到纤细的腰部。在这个腰部，而且只有在这个腰部，超快脉冲的峰值功率高到足以驱动双光子吸收。

这种方法提供了无与伦比的分辨率，原因有二。首先，使用高 NA 光学器件会产生紧密的微米级腰部，其次，由于双光子吸收取决于峰值功率的平方，因此可以调整传输的激光功率，以便在激光束内只有一个小的中心区域。束腰引起聚合。通过这种方式，该工艺可以提供亚微米空间分辨率，并且香港研究人员报告了测量约 100 nm 的特征的创建，他们使用可编程镜阵列进一步加速了该过程，以创建多光束工艺1。

一类新兴的飞秒激光器非常适合这种应用。这些激光器工作在 780 nm，结合了高功率、短脉冲宽度和色散预补偿，可在焦平面上提供高通量。与更长脉冲宽度的激光器相比，这些参数产生了更有效的聚合过程，具有更高的分辨率。用户友好的电源控制功能进一步增强了对过程的精细控制。这些新激光器的早期应用包括芯片实验室产品和微结构表面的制造，以及新型光子产品，例如微图案晶体。

无标记体内成像

多光子激发显微镜是整个生命科学研究中广泛使用的工具。与双光子光聚合一样，它仅在紧密聚焦的束腰利用飞秒脉冲的高峰值功率时依赖于与样品的空间选择性相互作用。

这里的一个关键趋势涉及转化研究，科学家们正在缓慢但肯定地将多光子技术转向临床实验室应用，并最终转向实时应用，如术中活检。出于显而易见的原因，目标技术是那些不需要荧光标记或绿色荧光蛋白等转基因蛋白来生成图像的技术。这些技术包括二次谐波生成 (SHG) 以成像胶原蛋白，其中 920 nm 是合适的波长;三次谐波产生 (THG) 以成像膜，其中 1064 nm 是一个很好的匹配;和激发内源性荧光以成像各种生物分子和代谢物，其中 780 至 800 nm 效果很好。

高数值孔径光学器件将飞秒激光束聚焦到微小的腰部，超快脉冲的峰值功率足以驱动双光子吸收。增材制造技术可提供亚微米空间分辨率，并可创建小至 100 nm 的特征。由 Wildman 实验室/诺丁汉大学提供。

虽然 SHG 和 THG 显微镜需要飞秒激光，但在可见光或紫外线波长下工作的连续波激光也可以激发这些天然荧光团，但会以一定的成像深度和细胞损伤的可能性为代价。因此，飞秒激发的优势是显而易见的。

关键的内源性荧光团包括还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) 和黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)——可用作癌症特征的代谢物。众所周知，癌细胞优先使用糖酵解而不是氧化磷酸化来满足其能量需求。当比较正常细胞和癌细胞时，这表现在 NADH 与 FAD 的比率存在明显差异。NADH 被 700 至 800 nm 波长的双光子吸收有效激发，FAD 的吸收光谱延伸至 890 nm。

利用这些代谢物的早期研究依赖于两种不同的超快激光波长，这对于诊断或护理点工作是不切实际的。幸运的是，在过去的几年里，研究人员已经证明，在 780 到 800 nm 窗口中运行的单个超快激光器可以以相似的效率激发和成像这两种物种，因为 NADH 更强的荧光也可以在“红色”处激发其频谱的尽头。此外，同样的研究人员证明，以这种方式获得的 NADH/FAD 比率是两种不同前列腺癌细胞系2的可靠标志物。

同样，在 780 nm 下工作的最新紧凑型飞秒激光器非常适合这一潜在非常重要的应用。与双光子聚合一样，无标记体内成像的其他相关激光参数包括出色的光束质量以最大限度地提高空间分辨率、短脉冲宽度以最大限度地降低荧光所需的平均激光功率，以及用于简化扫描过程的内部功率控制——例如，用于光栅扫描期间的消隐。

先进的晶圆计量

事实证明，超快激光器在先进晶圆计量领域也越来越重要。一套成熟的技术，称为皮秒激光声学 (PLA)，可测量层厚度并对不透明层下的关键对准标记进行成像。后一种能力在多层光刻工艺中很重要。

在 PLA 方法中，激光脉冲(即泵浦)的吸收产生从激光表面向内传播的声波。下层和结构将其中一些声能反射回表面，在表面通过第二个激光脉冲(即探头)的反射率变化来检测。

PLA 受益于新一代紧凑型飞秒激光器，因为这些激光器能够实现更高分辨率的成像和改进的整体测量。

由超短激光脉冲和光电导开关产生的太赫兹辐射具有高强度和宽连续光谱的特点。由相干公司提供。

飞秒激光支持的最新无损晶片计量方法取决于用于细胞膜无标记显微成像的谐波产生过程的变体。两种材料之间的界面，或任何非中心对称的材料，在一个非线性依赖于激光峰值功率的过程中会产生少量的二次谐波光。SHG 光信号可用于成像和检测晶片表面和亚表面的各种特征和特性。这些特征可能包括结构缺陷、薄膜质量，甚至微量金属污染。该技术已由 FemtoMetrix 成功商业化，该公司专门从事表面、埋藏和结构不规则性的光学非视觉缺陷计量。

太赫兹产生和检测

太赫兹辐射可以在固体和液体材料中提供独特的光谱或成像信息。该范围内的低光学频率与纳米级粒子的振动有关，例如聚合物和蛋白质等宏观分子，以及晶体等扩展结构的声子振动。因此，例如，太赫兹研究有助于绘制相位边界。然而，太赫兹频率范围几十年来一直是电磁频谱中被忽视的一部分，因为没有简单的方法来产生或检测太赫兹辐射。

今天，飞秒激光脉冲可用于多种机制来产生和检测太赫兹辐射。

一种方法将飞秒激光脉冲聚焦在光电导天线(或开关)上，该光电导天线(或开关)由夹在施加偏置电压的两个金属(例如，金)导体之间的诸如砷化镓(GaAs)之类的介电材料条组成。类似的结构也被用作太赫兹探测器。另一种产生太赫兹辐射的方法称为光学整流，将激光聚焦到非线性晶体中，例如磷化镓 (GaP) 或碲化锌 (ZnTe)，从而在太赫兹脉冲中的不同光谱分量之间产生差频。

通过飞秒激光脉冲产生太赫兹脉冲与通过连续波方法产生的太赫兹脉冲相比具有几个优点。超短激光脉冲产生的太赫兹辐射具有较高的强度。它同时涵盖了太赫兹光谱的广泛而连续的部分，其脉冲特性支持分析技术，例如时间相关光谱学。因此，脉冲太赫兹辐射已经在诸如癌组织的医学诊断、药物的非破坏性评估、爆炸危险的识别、艺术和考古学的检查以及国防和安全检查任务等不同领域的成像应用中找到了用途。

如果由 1 至 5 kHz 的钛蓝宝石放大器或以兆赫兹重复率的非线性展宽镱放大器产生的非常短的脉冲，通过光学整流产生的太赫兹可以产生具有大(频率)带宽的高平均功率脉冲。

相反，由于潜在的光学损伤和饱和效应，光电导天线仅限于较低的激发功率。然而，这些天线是产生太赫兹脉冲辐射的最简单和最便宜的方法。虽然大多数天线只需要 20 到 50 mW 的激光功率，但在天线平铺阵列上发射单瓦的紧凑型飞秒激光器可以在成本精简的设置中实现更高功率的太赫兹生成。反过来，这样的设置可以潜在地将太赫兹时域光谱 (TDS) 的应用从小型实验室布置扩展到更大规模的工业和医学成像应用。

下一代飞秒激光器如何融入这张太赫兹图像?它们的短脉冲宽度使太赫兹辐射的光谱范围更广。它们以 1 W 为中心的高平均功率对于任何一种太赫兹生成方法都很有用，因为它们都是需要高输入功率的低效机制。

新型飞秒激光器的实用方面，例如其流线型封装和可靠性，同样重要。一些新兴应用需要便携式或至少是便携式系统，以维持这些激光器的广泛采用。这些小型、廉价、风冷源需要最少的技术关注，可以很容易地集成到更完整的系统中，它们可以安装在所需的任何方向。

飞秒成像：拐角也能拍照

在生活中，你有没有发现照相机只能抓拍相机镜头之内的事物，对于拐角这样的隐蔽角落，相机却根本“无从下手”，而飞秒成像技术却能让相机看到拐角里的人。

飞秒，又叫毫微微秒，1飞秒等于1的负15次方秒。飞秒成像技术是指相机发出飞秒级的激光，每1飞秒拍摄一张图片，这意味着在1秒的时间里，飞秒照相机可以拍摄万亿张图片！

这个照相机是如何真实地重现拐角物体的呢？这个原理与雷达探测技术一样。雷达是发射电磁波，直接接收目标反射的回波，由此获得目标的方位、高度等信息。而飞秒成像技术是将多次反射、折射的激光光波进行处理而得到目标位置的一种技术。

简单说来，假设在房间的拐角放置一个模型，相机向打开的门上发射激光，撞到门上的激光会发生各个方向的散射，有些光子直接反射回相机，有些光子经过散射后撞到模型，撞到模型的光子继续散射。在多次散射后，其中可能有极个别光子会返回照相机。当然这一两个光子在图片上可能只有一个小光点。

但科学家们发射了数百万次的激光，拍摄了无数张光点图，这样无数张的图片上就会有大量的光点，因为每个光点返回相机的时间和位置都是不一样的，科学家们利用复杂的计算机算法分析光点对应模型上的哪个点，最终可以得到模型的大致轮廓。

为什么要用激光呢？这是因为激光能量高，且只要是朝一个方向散射的光子，中途就不会“散伙”。所以经过几次反射，仍然有光子可以反射回照相机，而普通光就没有这种能力了，在几次散射中，它们会在空气中散射掉，回不到照相机里。

在电影中，我们可以看到飞行战斗、刀枪不入的钢铁侠；可以看到具有超常行动速度的美国队长，而飞秒成像技术却是现实生活中能看到拐角物体的“超人”。

当生活中运用了飞秒成像技术，会发生什么呢？搭载了飞秒成像技术的车辆，也许可以轻易地看到拐角处的车，避免了碰撞的发生；消防员也可以运用飞秒成像技术发现被困在楼层里的群众，搜寻幸存者；飞秒成像技术还可用于探测隐蔽物体……

虽然飞秒成像技术目前拍摄的图像还略微模糊，但随着科学的发展，飞秒成像技术最终会给我们带来拐角物体的清晰轮廓。

多波混和飞秒超快激光

飞秒超快激光是过去三十多年里由激光科学发展起来的最强有力的研究工具之一，其迅速发展与飞秒超快激光相关应用的拓展与深入互相反哺，相互促进。

随着飞秒超快光谱和非线性光学显微成像相关应用的进一步拓展和深入，近年来一些重要的实验研究需要同时用到多个不同波段的飞秒超快光场（也就是多色飞秒超快光场）。而在超强方面，如何获得超强超短激光系统中稳定干净的种子源，如何实现对飞秒激光脉冲时域宽度、对比度等参数准确高效地测量，关乎超强超短飞秒激光本身及其应用的长足发展。

鉴于飞秒激光脉冲的四波混频的超快响应特性，其可以作为一种超快光学开关或者说是超快滤波器对入射的飞秒激光脉冲进行超快调制，为获得超强超短激光系统中稳定干净的种子源打开新思路。飞秒四波混频还可用于获得多色飞秒激光，以及实现对飞秒激光脉冲时域宽度、时域对比度等重要参数的准确高效测量。

综上所述，飞秒四波混频技术的发展给飞秒激光相关技术研究带来了新的火花。下文将概述级联四波混频（CFWM）、交叉偏振波产生（XPW）、自衍射效应（SD）和瞬态光栅效应（TG）等四种飞秒四波混频技术在飞秒激光研究中的应用，供读者参考。

1高性能多色飞秒激光产生

应用背景：

常用的固体激光器的输出波长范围通常限制在一定的区域，例如钛宝石的发光波长范围是700 nm-900 nm，掺铬镁橄榄石的发光波长范围为1200 nm-1360 nm，掺铬石榴石的发光波长范围为1360 nm-1570 nm。

然而在多色非线性光学显微成像，多维超快光谱研究等领域，往往需要多个中心波长不同的飞秒激光脉冲，因而对激光脉冲进行频率变换以获得合适的波长是一项很重要的工作。CFWM过程是多次非简并飞秒四波混频的集合，两束中心波长不同的飞秒光，以一定角度交叉重合于三阶非线性材料中，可以一次性获得多个空间分离且中心波长可调的飞秒激光脉冲。基于目前已经商业化的25 fs钛宝石放大器出射光，利用CFWM可以获得能量百微焦以上的飞秒激光脉冲，光谱范围可以覆盖紫外到近红外。

应用优势：所使用的装置简单紧凑，而且一定程度上相当于多个NOPA同时工作，简单经济[1]。

2超强超短激光系统中稳定干净的种子源产生

应用背景：超强超短激光因其能在实验室内创造出前所未有的极端物理条件而获得了科研人员的青睐。然而，如何获得稳定干净（即高对比度）的放大输出脉冲却成为超强超短激光研究进程中的“拦路虎”。通过对超强超短激光系统中的种子光源进行净化，即获得稳定干净的种子光源，是超强超短激光系统输出高对比度放大脉冲的有力保证。

（a）面向1 PW-10 PW超强超短激光系统——800 nm种子激光的获得

应用优势：XPW由于直线型的光路结构和相位自动匹配的特点被广泛应用于对比度提升技术研究领域。2005年Aurélie等人利用BaF2晶体获得转换效率为10%，对比度为1010的飞秒激光脉冲输出[2]。随后该研究小组又利用两块BaF2晶体将激光对比度提高到1012 [3]。2010年刘军小组提出基于SD效应的对比度提高技术，为获得更高对比度的种子激光脉冲提供了一种新方法。其产生的信号光与入射激光空间分离，不需要偏振元件，巧妙解决了XPW方法中偏振元件有限消光比限制问题。在有效地补偿了SD的角色散的基础上，实现了单级信号大于7个数量级的对比度提升和780 μJ的能量输出[4-5]。

（b）面向100 PW-EW超强超短激光系统——910 nm种子激光的获得

应用优势：当前100 PW量级超强超短激光中心波长都在910 nm，且多采用多级复杂敏感的OPA等非线性过程来获得激光输出。因此系统的稳定性和可靠性势必受影响。然而，利用非简并四波混频技术，只需要一片玻璃片和一级四波混频就可以获得满足高对比度、宽光谱、高稳定性等条件的910 nm的种子激光，大大减少了复杂敏感的OPA等过程，降低成本并提升了种子激光的稳定可靠性[6]。

3高时间分辨对比度单发测量技术

应用背景：超强超短激光系统输出脉冲的高对比度对测量仪器的单发测量动态范围提出了要求。目前有时域-空间编码的三阶相关方法，可以达到1010动态范围测量，但是时间分辨率不高，约为700 fs。基于时域-频域编码方法可以实现20 fs的高时间分辨，但是测量动态范围只有108，不能同时实现高动态范围和高时间分辨的测量。

（a）新型单发四阶相关仪

应用优势：单发四阶相关仪技术不同于三阶相关仪的倍频，取样光通过四波混频获得，这样的取样光更干净，测量具有更高保真度。初步实验，该技术已同时实现时间窗口宽度为50 ps，测量动态范围1010, 时间分辨率为160 fs（优于sequoia）的单发测量[7]。

（b）自参考光谱干涉（SRSI）单发测量仪

应用优势：不同于时域-空间编码的三阶相关方法，SRSI是时域-频域编码的测量方法，时间分辨率高，且可以同时测量脉冲形状宽度。该方法先采用飞秒四波混频（XPW，SD，TG）来获得干净的参考光，再与待测光光谱干涉。目前最高（SRSI-ETE）可以实现时间窗口18 ps，分辨率20 fs，动态范围108的测量结果[8]。

(c)对比度降低技术+SRSI-ETE

应用优势：将对比度先降低再测量的实验方法是目前对比度测量领域又一新思路。通过啁啾展宽、克尔效应和反饱和吸收等方法都可以将对比度降低约一个数量级。结合SRSI-ETE方法，我们可以将动态范围提升到109以上[9]。

4飞秒脉冲时域形状单发测量技术

应用背景：飞秒激光脉冲时域形状（幅值和相位）对于飞秒激光相关领域的应用来说是一个非常重要的参数，它不仅关系到脉冲所能探测到的超快过程的速度，同时也与脉冲峰值功率相关。因此，一种快速、精准、简单的飞秒激光脉冲测量方法对于提升飞秒激光的应用效率非常重要。作为光谱干涉技术（Spectral Interferometry, SI）的扩展，基于四波混频（XPW，SD，TG）的SRSI方法具有解析、灵敏、精准和快速特点，并且其光学装置和用于重建飞秒激光脉冲的时域信息的算法都比较简单，具有极高的商业应用前景。

（a）基于XPW-SRSI的飞秒脉冲时域形状单发测量技术

应用优势：光路共线，简单易调。其是最先用在SRSI方法中的一种三阶非线性效应。目前商用仪器Wizzler即是基于该方法。反射式XPW-SRSI的光路结构设计解决了前者使用的偏振光学元件引入的色散问题，成功实现了脉宽为4 fs的飞秒脉冲的单发测量[10]。

（b）基于SD-SRSI的飞秒脉冲时域形状单发测量技术

应用优势：SD效应是一种非共线四波混频参量过程，产生的自衍射信号与入射激光脉冲在空间上分离，从而不需要偏振光学元件，不受待测光波长的限制[11]。

（c）基于TG-SRSI的飞秒脉冲时域形状单发测量技术

应用优势：TG信号光的产生是相位自动匹配过程，无需偏振光学元件也没有SD信号中存在的角度色散。这些特性使得TG较XPW以及SD在SRSI中的应用更有优势。因此基于TG-SRSI方法的飞秒脉冲单发测量装置正崭露头角[12-14]。

虽然飞秒激光器通常被认为是最奇特的相干光源类型之一，但它们的开发和应用与所有其他激光技术共享模式。它们相继从研究对象转变为研究工具，并最终在其他工具和系统中用作组件。与其他激光技术一样，飞秒光源的发展受到快速扩展的实际应用领域的推动，从生命科学到工业诊断再到制造过程。

转自：AIOT大数据

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