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圖1. 卓立漢光FFL-20光纖飛秒激光器
首先，我們卓立漢光公司在旗下的瞬態(tài)熒光光譜系統(tǒng)，寬場(chǎng)瞬態(tài)吸收光譜系統(tǒng)/顯微光譜成像系統(tǒng)，基于條紋相機(jī)的瞬態(tài)光譜測(cè)試系統(tǒng)里面均有飛秒激光器的配置選項(xiàng)，比如飛秒激光振蕩器，飛秒激光放大器，飛秒OPA波長可調(diào)諧激光器等。在這里，我們并不限定一定用國產(chǎn)還是進(jìn)口的飛秒激光器，同樣不限定是采用鈦寶石飛秒激光還是光纖飛秒激光。實(shí)際上，我們多次集成了國際頂尖的進(jìn)口飛秒激光器或者飛秒OPA，糅合進(jìn)我們的系統(tǒng)提供給客戶。簡(jiǎn)而言之，一切從客戶的需求和已有資源出發(fā)，我們可以很開放的和您討論：
l 針對(duì)您的現(xiàn)在與未來的應(yīng)用，選擇哪些激光器與周邊設(shè)備較為適合。
l 基于您劃定已有明確意向的激光器型號(hào)，或者您劃定做重點(diǎn)參考的科學(xué)文獻(xiàn)，卓立漢光和您討論是否可以完成從零開始的設(shè)備整合，給您提交一個(gè)甚至細(xì)化到軟件的打包系統(tǒng)。
l 針對(duì)您實(shí)驗(yàn)室已有的飛秒激光器，討論是否可以根據(jù)您的設(shè)想，配套或升級(jí)一個(gè)新的超快測(cè)試模組。
在這些情況下，激光器無論國產(chǎn)還是進(jìn)口的，無論是客戶已擁有還是意向的，肯定都是可以討論并可能采用的。
進(jìn)一步，卓立漢光為什么會(huì)采用光纖飛秒激光器？
和光纖飛秒激光器做比較的大多是傳統(tǒng)的鈦寶石飛秒激光器。先說結(jié)論：一般而言，如果您的應(yīng)用從參數(shù)看可以采用基于光纖架構(gòu)的飛秒激光器，或者是您為開展新工作而收集到的參考文獻(xiàn)中有提及采用過光纖飛秒激光器，您都不妨把光纖飛秒激光器作為重點(diǎn)考慮對(duì)象。
l 光纖飛秒激光器可做到客戶無需激光專業(yè)背景，即插即用，免維護(hù)，無需超凈恒溫環(huán)境。
對(duì)于擁有飛秒激光器的單位比如超快光譜實(shí)驗(yàn)室來說，傳統(tǒng)上被認(rèn)為肯定擁有恒溫恒濕的超凈間；這還不夠，對(duì)于傳統(tǒng)鈦寶石類超快激光，運(yùn)氣不好的話，功率掉了，模式鎖不住了，還需要有專人給調(diào)回來。做一個(gè)相對(duì)片面的解釋，從工作機(jī)理而言，所有的激光器都需要達(dá)到一個(gè)熱平衡，才能實(shí)現(xiàn)長時(shí)間且穩(wěn)定的輸出。激光器本體發(fā)熱與散熱達(dá)到平衡，且無懼環(huán)境擾動(dòng)這個(gè)要求說起來簡(jiǎn)單，能做到且能做好的就相當(dāng)不容易了。這就是相干，光譜物理這樣的鈦寶石飛秒激光器一線大廠一貫以來受到用戶推崇原因。您確實(shí)可以看到比這“御兩家”頂流公司脈寬更短，能量更高的鈦寶石激光器競(jìng)品，建議您提前做好準(zhǔn)備，可能這臺(tái)激光器會(huì)相對(duì)更難伺候，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境要求更高（恒溫，干燥肯定是必要的；空調(diào)不能直吹激光器，哪怕空調(diào)風(fēng)側(cè)著掃過都不允許，因?yàn)榭赡茉诩す馄鞅倔w上產(chǎn)生局部的溫度梯度）。說回光纖飛秒激光器，相對(duì)而言，光纖飛秒激光器在獲得與保持熱平衡的機(jī)理上就比鈦寶石激光器優(yōu)秀很多。在這里有一個(gè)簡(jiǎn)易的參數(shù)，就是增益介質(zhì)的表面積與體積比；增益介質(zhì)的表面積/體積數(shù)值越大，就越容易設(shè)計(jì)與制造散熱控溫機(jī)構(gòu)。比如同樣是激光增益介質(zhì)，鈦寶石是塊狀體材料，而光纖材質(zhì)長，細(xì)且柔軟。相比較而言，光纖的散熱表面積/體積比值遠(yuǎn)大于鈦寶石；柔軟的光纖可以方便的盤在散熱熱沉上，再加上光纖相對(duì)較細(xì)，在整個(gè)散熱截面上就不容易出現(xiàn)熱梯度；具備散熱與控溫結(jié)構(gòu)上的巨大先天優(yōu)勢(shì)，這就帶來兩個(gè)好處：一個(gè)是自身容易達(dá)到且保持熱平衡，二是就算外界環(huán)境出現(xiàn)熱擾動(dòng)，對(duì)于光纖增益介質(zhì)幾乎不會(huì)產(chǎn)生干擾，不會(huì)出現(xiàn)諸如“熱透鏡”等現(xiàn)象。光纖飛秒激光器抗環(huán)境干擾，工作穩(wěn)定，需要重調(diào)和維護(hù)的可能性就小很多，也不再要求高級(jí)的恒溫恒濕與超凈環(huán)境，用戶友好度上是可以說是乘數(shù)倍的提升。
l 較高端的光纖飛秒激光器的脈沖寬度和重復(fù)頻率是可調(diào)的。(以卓立漢光的FFL-20光纖飛秒激光器-圖1為例），脈沖寬度350fs-10ps可調(diào)，激光重復(fù)頻率單發(fā)-1MHz可調(diào)。很簡(jiǎn)單，還是如前所言，激光器要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，就需要保持一個(gè)穩(wěn)定的熱平衡。當(dāng)一臺(tái)脈沖激光器在脈沖寬度或者重復(fù)頻率發(fā)生變化時(shí)，激光增益介質(zhì)本身的熱平衡就會(huì)發(fā)生變化，而光纖飛秒激光器在散熱與控溫架構(gòu)上做到好的設(shè)計(jì)與制造工藝后，就可以保證激光器本身迅速的達(dá)到新的熱平衡且保持穩(wěn)定。
卓立漢光FFL-20光纖飛秒激光器與ST-10條紋相機(jī)搭配系統(tǒng)
圖2.卓立漢光ST-10條紋相機(jī)+Omni-300光柵光譜儀
卓立漢光ST-10條紋相機(jī)參數(shù)
卓立漢光FFL-20光纖飛秒激光器與參數(shù)
從實(shí)際應(yīng)用來分析，以卓立漢光ST-10基于條紋相機(jī)的瞬態(tài)光譜測(cè)試系統(tǒng)為例，條紋相機(jī)的特點(diǎn)是可以測(cè)單發(fā)不重復(fù)現(xiàn)象，僅僅一個(gè)脈沖所激發(fā)出的瞬態(tài)光譜的光譜軸和壽命軸可以被條紋相機(jī)同時(shí)采集下來，而卓立漢光FFL-20光纖飛秒激光器也可以做單發(fā)觸發(fā)，并和ST-10條紋相機(jī)嚴(yán)格同步，測(cè)試此類單發(fā)不重復(fù)現(xiàn)象。而進(jìn)一步的，F(xiàn)FL-20光纖飛秒激光器也可以調(diào)諧到指定重復(fù)頻率，我們知道，重復(fù)頻率越高，則可以做到更多的積分平均以提升光譜采集信噪比。以上是調(diào)諧重復(fù)頻率的意義。
另外，飛秒激光脈沖的峰值功率密度是很高的，往往超過樣品的損傷閾值，此時(shí)可以適當(dāng)調(diào)寬激光的脈沖寬度以保護(hù)樣品。從條紋相機(jī)瞬態(tài)光譜采集分辨率為5ps來看，將激光脈沖寬度調(diào)節(jié)到1ps不會(huì)影響系統(tǒng)的時(shí)間分辨率。簡(jiǎn)單講，對(duì)于不同樣品而言，漂白閾值或者講損傷閾值也是不一樣的；而脈沖寬度與激光峰值功率密度強(qiáng)相關(guān)，脈沖重復(fù)頻率與激光平均功率密度強(qiáng)相關(guān)，激光器自身的脈沖寬度和重復(fù)頻率可調(diào)的話，可以做到對(duì)于不同材料某種形式的*優(yōu)化激發(fā)。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于激光器一機(jī)多用，同時(shí)也希望做一些超快激光加工實(shí)驗(yàn)的客戶而言則更為重要，我們知道，同樣的冷加工，皮秒激光的加工效率往往是高于飛秒激光的；而脈沖寬度可調(diào)，重復(fù)頻率可調(diào)，就可以給使用者更大的自由的摸索最佳加工工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳加工質(zhì)量的同時(shí)保證最佳加工效率。
再進(jìn)一步，卓立漢光為什么會(huì)有國產(chǎn)化光纖飛秒激光器的解決方案。
當(dāng)然，最容易理解的原因就是我們國產(chǎn)光纖飛秒激光器有重大的節(jié)省預(yù)算優(yōu)勢(shì)。
進(jìn)口飛秒激光器乃至一些頂尖的光纖飛秒激光器交貨期很長，甚至由于某些國家間利益或是意識(shí)形態(tài)的沖突，中國的客戶往往會(huì)受到進(jìn)口/出口許可的限制。在這些情況下，在某些參數(shù)上做某種程度的妥協(xié)，或者說在實(shí)踐驗(yàn)證中，我們國產(chǎn)設(shè)備的性能就已經(jīng)可以滿足需要時(shí)，采用國產(chǎn)設(shè)備就是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)且有效的選擇了。另外，當(dāng)我們國產(chǎn)設(shè)備做的足夠好時(shí)，哪怕是存在中外公司間甚至是國家間的利益沖突，別人也會(huì)考慮降低出口許可限制和降價(jià)的，不是么？
相對(duì)而言，國產(chǎn)化的光纖飛秒激光器更容易追趕世界頂尖光纖飛秒激光器的腳步。我們知道，從市場(chǎng)角度看，整個(gè)激光器產(chǎn)業(yè)的規(guī)模再大，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如光纖通信產(chǎn)業(yè)的規(guī)模，基于光纖通信產(chǎn)業(yè)超級(jí)強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?，工藝精細(xì)化，器件標(biāo)準(zhǔn)化；用于光纖激光器的特種光纖，光纖器件間，光纖器件與空間光器件間的相互耦合等環(huán)節(jié)可以直接引用高度成熟的工藝甚至是高度成熟的器件。我們有理由推測(cè)，國產(chǎn)激光廠家在鈦寶石激光器領(lǐng)域全面追趕相干或光譜物理這樣的“御兩家”機(jī)會(huì)其實(shí)不大；但在光纖激光器領(lǐng)域，國產(chǎn)廠家在功能，穩(wěn)定性與性價(jià)比上全面追趕IPG這樣的產(chǎn)業(yè)巨頭是完全有前景的。
圖3.中鐳光電光纖飛秒激光器
當(dāng)然，從應(yīng)用來講，光纖飛秒激光器也并不會(huì)全面取代鈦寶石飛秒激光器，比如說：
在最短脈沖寬度上，光纖飛秒激光器天生弱于鈦寶石飛秒激光；一般來說，幾百飛秒級(jí)別的光纖器被認(rèn)為在性能，穩(wěn)定性和價(jià)格上的一個(gè)優(yōu)化均衡。用戶在架構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，當(dāng)然可以考慮采購更短脈寬的飛秒激光器，但同時(shí)也必定需要應(yīng)對(duì)隨之而來的光路內(nèi)器件的脈沖展寬，色散等問題，設(shè)備操作維護(hù)問題。您不妨在經(jīng)費(fèi)預(yù)算允許的情況下，同時(shí)也考慮一臺(tái)光纖飛秒激光器，可以輕松愉快的應(yīng)對(duì)一些對(duì)脈沖寬度不嚴(yán)格要求的應(yīng)用。
鈦寶石飛秒激光器和后續(xù)的放大器容易做到更高的單脈沖能量。確實(shí)，這是鈦寶石激光加放大器和光纖飛秒激光加放大器走的兩個(gè)不同的價(jià)值取向。進(jìn)口光纖飛秒激光器接放大器大致可做到mJ的最高單發(fā)能量，而以FFL-20為例國產(chǎn)光纖飛秒激光器大致做到400-800uJ的單發(fā)能量；從瞬態(tài)光譜的實(shí)際應(yīng)用來說，做泵浦探測(cè)一類瞬態(tài)吸收的應(yīng)用百uJ能量已經(jīng)足夠，而熒光激發(fā)百nJ級(jí)別都可以。實(shí)際上，單發(fā)能量沒做到很高帶來的一個(gè)好處是重復(fù)頻率可以做到更高。從這個(gè)角度看，更高的重復(fù)頻率更加適合做多次平均積分，以提升光譜測(cè)試系統(tǒng)信噪比，而且激光單脈沖能量只要夠用就好，過高反而容易損壞樣品。
類似的考量事實(shí)上也發(fā)生在飛秒激光微加工應(yīng)用上，從實(shí)際應(yīng)用而言，不過分短的脈沖寬度（比如幾百飛秒或以上）就使得顯微鏡光路系統(tǒng)無需過分糾結(jié)于脈沖展寬和色散等問題，反而容易在聚焦光斑質(zhì)量，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等方面獲得最佳配比；不過分強(qiáng)調(diào)單脈沖能量（還是講夠用就好），反而容易在激光重復(fù)頻率和加工速度上獲得最佳配比。如果您在光譜測(cè)試的同時(shí)也考慮激光微加工應(yīng)用的話，也歡迎和我司進(jìn)一步討論或寄來樣品打一打試樣。
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