新一代飞秒激光器兼具实用性和精确性

近年来，飞秒激光技术发生了巨大进步。复杂的桌面上挤满了用户制造的组件和无数需要日常关注的离散光学元件，现在已经让位于为满足飞秒应用快速变化的世界而定制的单盒系统。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，随后迅速发展了强大的工业单盒激光器，以支持从支架切割到OLED加工等微机械应用。

今天，这一发展趋势的最新例子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780nm、920nm和1064nm。这些用户友好型激光器进一步提供与应用相关的参数，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。

飞秒激光脉冲可以从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

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。这些过程提供了一种无需掩膜或模具就能创建复杂独特结构的方法。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。

一种新兴的增材制造方法是一种称为“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，它能够比任何其他增材制造工艺具有更高的空间分辨率。其次，它是一种三维自由成型工艺，因此不受激光烧结或单光子立体光刻的加工限制，零件必须从下向上或自上而下逐层创建。

高数值孔径光学器件将飞秒激光束聚焦到纤细的腰部，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级的空间分辨率，创建小至100nm的特征

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变得经济可行。在立体光刻中，激光束聚焦到光敏树脂中。当合适波长的光（通常是紫外线）照射到该树脂时会破坏聚合物的键，材料发生反应，从液体单体化学品中形成固体聚合物。

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，超快激光的波长是树脂正常吸收波长的两倍。通过使用高数值孔径（NA）光学元件，光束聚焦到一个微小的腰部。在这个腰部而且只有在这个腰部，超快脉冲的峰值功率足够高，足以驱动双光子吸收。

这种方法提供了无与伦比的分辨率，原因主要有两个。首先，使用高NA光学元件会产生紧密的微米级束腰；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，以便只有束腰内的一个小中心区域会导致聚合。通过这种方式，该过程可以提供亚微米级的空间分辨率。此前香港研究人员已经报道了创建约100nm的特征，他们使用可编程反射镜阵列进一步加速了该过程，以创建多波束过程。

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

一种新兴的飞秒激光器非常适合这种应用。这些激光器在780nm处工作，结合高功率、短脉冲宽度和色散预补偿，在焦平面上提供高通量。这些参数使得聚合过程更高效，分辨率比长脉宽激光提供的分辨率更高。用户友好的电源控制功能进一步增强了过程的精细控制。这些新型激光器的早期应用，包括制造芯片实验室产品和微结构表面，以及新型光子产品，如微图案晶体。

无标签活体成像

多光子激发显微镜是生命科学研究中广泛使用的工具。与双光子光聚合一样，它依赖于与样品空间选择性的相互作用，并且只有当紧密聚焦的束腰利用飞秒脉冲的高峰值功率时。这里的一个关键趋势涉及转化研究，科学家们正在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。

由于明显的原因，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质来生成图像的技术。这些技术包括二次谐波（SHG）成像胶原，其中920nm是合适的波长；成像膜的三次谐波（THG），其中1064nm是一个很好的匹配；以及激发内源性荧光成像各种生物分子和代谢物，其中780nm至800nm效果良好。

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700nm至800nm波长的双光子吸收有效激发，FAD的吸收光谱延伸至890nm。

在过去几年，研究人员已经表明，在780nm至800nm窗口中运行的单个超快激光可以以类似的效率激发和成像这两种代谢物，因为NADH的较强荧光也可以在其光谱的“红色”端激发。此外，研究人员同样证明了通过这种方式获得的NADH/FAD比率，在断定两种不同的前列腺癌细胞方面是值得信赖的。

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

同样，最新的紧凑型飞秒激光器工作波长为780nm，非常适合这一潜在的重要应用。与双光子聚合一样，用于无标签活体成像的其他相关激光参数包括出色的光束质量以最大化空间分辨率，短脉冲宽度以最小化荧光所需的平均激光功率，以及内部功率控制以简化扫描过程。

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变得越来越重要。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）的吸收产生一个声波，该声波从激光表面向内传播。底层和结构将部分声能反射回表面，通过第二个激光脉冲（即探头）反射率的变化来检测声能。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。

利用飞秒激光实现的最新非破坏性晶圆计量方法，依赖于用于细胞膜无标记显微成像的谐波产生过程的一种变体。在对激光峰值功率具有非线性依赖性的过程中，两种材料或任何非中心对称材料之间的界面可以产生少量二次谐波。

SHG光信号可用于成像和检测晶圆表面和子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。这项技术已由FemtoMetrix公司成功实现了商业化，该公司专门从事表面、结构不规则性的光学非视觉缺陷计量。

未来的思考

虽然飞秒激光通常被认为是最奇特的相干光源之一，但其发展和应用与所有其他激光技术有着共同的模式。他们先后从研究对象转变为研究工具，并最终在其他工具和系统中作为组件使用。与其他激光技术一样，飞秒光源的发展受到了从生命科学到工业诊断再到制造工艺的快速扩展的实际应用领域的推动。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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