【秒懂】超快激光的核心密碼：高峰功率、寬光譜 & 脈沖壓縮攻略

導(dǎo)語

研發(fā)、檢測或加工過程中，你是否常常因?yàn)?/span>脈沖太長、功率不足而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想、加工精度下降？別擔(dān)心，超快激光（飛秒?皮秒級(jí)）正是為了解決這些瓶頸而誕生的——它憑借極短的脈沖和較高的峰值功率，讓我們得以直接“看到"分子振動(dòng)、電子遷移甚至量子效應(yīng)。本文將用通俗易懂的語言，快速梳理超快激光的獨(dú)特特性、技術(shù)挑戰(zhàn)及常用壓縮手段，幫助你判斷是否需要超快激光系統(tǒng)，并快速選型合適的光學(xué)元件。

一、超快激光的獨(dú)特特性

核心結(jié)論：短脈沖帶來超寬光譜 + 超高峰功率，但也讓系統(tǒng)對(duì)光學(xué)元件的要求更為苛刻。

圖 1: 支持10ps(綠色)、500fs(藍(lán)色)和50fs(紅色)激光脈沖所需的最小光譜帶寬。

圖 2: 激光的平均功率 Pavg, 和峰值功率, Ppeak, 與脈沖持續(xù)時(shí)間 t的關(guān)系示意圖。

二、技術(shù)挑戰(zhàn)與對(duì)應(yīng)解決思路

1. 激光損傷閾值 (LDT)

• 挑戰(zhàn)：與納秒激光（LDT≈5?10 J/cm2）相比，超快激光的 LDT 僅為不到 1 J/cm2，原因是脈沖極短，導(dǎo)致非線性多光子吸收和離子化成為主要損傷機(jī)制。

圖 3: 激光引起的光學(xué)元件表面損傷，如圖此處顯示的損傷，可能會(huì)降低激光系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致系統(tǒng)失效，甚至引發(fā)危險(xiǎn)。由于超快激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間極短，超快激光器的損傷機(jī)制與長脈沖激光器存在顯著差異。

• 解決思路：

• 選用專為超快激光設(shè)計(jì)、在相同波長、脈寬、重復(fù)頻率下測試過的光學(xué)元件。

• 對(duì)關(guān)鍵元件（如高反鏡、分束鏡）使用 高 LDT 認(rèn)證 的涂層，以防止在高峰功率下出現(xiàn)局部熔化或損傷。

圖4: 不同脈沖持續(xù)時(shí)間下激光引起損傷的機(jī)制。

2. 色散與脈沖展寬——群延遲色散 (GDD)

• 挑戰(zhàn)：透鏡、窗口、空氣等介質(zhì)會(huì)引入 正 GDD，導(dǎo)致脈沖在傳播過程中被拉長。舉例：10 mm N?BK7 在 800 nm 處會(huì)把 50 fs 脈沖拉長約 12%。

• 理論公式：

該式說明，輸入脈沖越短，同等 GDD 的影響越顯著。

• 解決思路：

• 優(yōu)先使用 低 GDD 材料（如 fused silica），其在可見?近紅外波段的 GDD 極低。

• 采用 專用超快光學(xué)（低色散鏡片、空心光纖、超低散射窗口），較大限度降低系統(tǒng)累計(jì) GDD。

3. 脈沖壓縮需求判定

• 指征：

• 成像模糊（多光子顯微、生物活體成像）——脈沖被拉長導(dǎo)致非線性信號(hào)下降。

• 加工精度下降（激光微加工、蝕刻）——脈沖拉長削弱材料的非線性閾值，導(dǎo)致切口寬度增大。

• 判定方法：

• 計(jì)算系統(tǒng)中所有光學(xué)元件的累計(jì) GDD（每塊元件的 GDD 可從材料數(shù)據(jù)庫查詢）。

• 若累計(jì) GDD 使原本的 10 fs 脈沖被拉伸至 > 150 fs，則必須進(jìn)行 脈沖壓縮。

圖 5: 多光子顯微鏡實(shí)驗(yàn)中光路的示意圖。

三、脈沖壓縮技術(shù)全景速覽

實(shí)戰(zhàn)建議：

• 科研實(shí)驗(yàn)：先用棱鏡或光柵壓縮器進(jìn)行粗調(diào)，然后配合一兩塊高色散鏡細(xì)調(diào)，可在不大幅增加成本的前提下實(shí)現(xiàn)亞10 fs 的脈沖。

• 工業(yè)生產(chǎn)：若對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、調(diào)校時(shí)間要求較高，建議直接采購預(yù)壓縮的完整光學(xué)套件（包含低 GDD 鏡片、專用壓縮鏡），省去調(diào)試環(huán)節(jié)。

圖 6: 棱鏡和光柵壓縮器。

四、 選型小貼士——如何挑到合適的超快光學(xué)？

1.明確脈沖參數(shù)

• 中心波長、脈寬、重復(fù)頻率、平均功率、峰值功率。

2.匹配激光損傷閾值

• 選用在相同波長、脈寬、重復(fù)率下測試過的光學(xué)元件，確保 LDT ≥ 系統(tǒng)峰功率。

3.累計(jì) GDD 評(píng)估

• 使用材料數(shù)據(jù)庫（如 refractiveindex.info）查詢每塊元件的 GDD，累計(jì)后與容忍閾值比較。

4.材料優(yōu)先級(jí)

• Fused silica：在可見?近紅外波段 GDD 較低，是可選擇材料。

• 低色散鏡片、空心光纖：如果光路中必須加入透鏡，優(yōu)先考慮這些低 GDD 選項(xiàng)。

5.壓縮器配置

• 若累計(jì) GDD > 500 fs2，建議配置 棱鏡+高色散鏡 或 光柵+DM 組合；若系統(tǒng)對(duì)極短脈沖（≤ 10 fs）敏感，務(wù)必使用高色散鏡以控制高階色散。

溫馨提示：在實(shí)際安裝前，可先用光學(xué)仿真軟件（如 Zemax、Lumerical）模擬光路的色散與功率分布，提前發(fā)現(xiàn)潛在瓶頸。

結(jié)語 & 行動(dòng)號(hào)召

超快激光以飛秒脈沖 + 千兆瓦峰功率打開了科研與高精度加工的新大門，同時(shí)也帶來了光學(xué)損傷、色散展開等技術(shù)挑戰(zhàn)。只要精準(zhǔn)評(píng)估脈沖需求、合理選型光學(xué)元件、必要時(shí)進(jìn)行脈沖壓縮，就能讓你的實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)線跑得更快、更穩(wěn)。

想進(jìn)一步了解如何為你的項(xiàng)目選配合適的光學(xué)元件、搭建高效的脈沖壓縮系統(tǒng)？