超快光学技术成功商业化的关键正是打造出可靠性高、成本低廉并且操作简单的系统。

目前超快光学能够应用于许多科学研究和开发领域。然而，由于设备组装过于复杂，难以制造出适用于工业生产或临床医疗的小型化设备。

但随着已投入工业使用的光纤激光器以及多功能多模式显微镜的发展，超快光学技术已逐步向商业化迈进。

博士生们在慕尼黑先进光子学中心（MAP）调试高重复频率光参量信号脉冲放大器（OPCAP）的激光器。图片来源：Thorsten Naeser/马克思普朗克量子光学研究所。

目前超短激光脉冲已能够进行常规生产，其持续时间为30fs至50fs，大约为可见光电场周期的十倍。而使用新型脉冲压缩法，例如使用中空纤维，即可实现3fs至5fs范围内的“单周期”脉冲。

短脉冲能够在极短的时间内产生强大的能量，因此短脉冲可以驱动高度非线性过程，包括使用低能量脉冲驱动直观多光子显微镜（通常超过100fs）,以及由放大脉冲驱动的前沿研究（大于5fs），例如相干X射线的产生，目前仍处于初步研究阶段。

博士生们在马克思普朗克量子光学研究所组装用于产生阿秒光脉冲的设备。图片来源：Thorsten Naeser/马克思普朗克量子光学研究所。

目前，一些医院的眼科及材料加工过程正使用飞秒激光，尽管其使用的脉冲宽度长达几百飞秒。据加州圣克拉拉市相干公司（Coherent Inc.）的市场总监Marco Arrigoni介绍，直到最近，飞秒激光技术才开始被广泛使用，例如色散补偿腔镜、脉冲压缩棱镜、宽带光束传输等。

“这些应用目前并不局限于元件光学性能的限制，在正确安装及合理使用的情况下，使用普通的光学元件也能达到高可靠性及长寿命的目的。然而飞秒光学的应用领域正在发生变化，因此能够使用的光学元件和激光器也在随之改变。”

飞秒光学在光遗传学和三光子成像中的使用最为广泛，这些应用中使用的波长更长（超过1 µm），脉冲功率更高。研究人员需要重新优化激光器的光学薄膜（腔内和腔外）以充分利用这些长脉冲的优势。

具体来说，尽管十年前具有250nm可调谐输出的掺钛蓝宝石激光器是多光子成像研究中的重要部分，但在活体动物研究中则需要更长的激发波长来进行更深层的无创伤多光子成像。因此，光学设计人员和光学薄膜设计人员最终开发出空腔和光束传输光学，其中单组光学元件中完整的钛增益带宽为680nm至1080nm。在过去的几年中，集成了光学参量振荡器的掺镱光纤激光器作为互补可调谐激光技术主要用于神经科学，能够产生波长在1 µm至3 µm之间的高功率脉冲。

图为用于产生少量周期激光脉冲的光学仪器的组件。图片来源：Thorsten Naeser/马克思普朗克量子光学研究所。

来自慕尼黑路德维希-马克西米利安大学阿秒物理实验室和德国加尔兴马克思普朗克量子光学研究所的Matthias Kling教授积极提倡光纤激光技术研究。Matthias Kling教授与其同事们在慕尼黑先进光子中心和先进激光应用中心展开紧密合作，并使用超快脉冲开发癌细胞分子分析平台，使癌症靶向达到单一细胞水平。

来自慕尼黑路德维希-马克西米利安大学和马克思普朗克量子光学研究所的Matthias Kling教授（左）与另一名高级研究人员讨论产生少量周期激光脉冲装置的组装。图片来源：Thorsten Naeser/马克思普朗克量子光学研究所。

Kling表示：“过去这些设备需要占据光学实验台的一大部分，现在我们见证了这些设备的尺寸越来越小，小到鞋盒的尺寸。持续时间只有几个周期（几个飞秒）的脉冲能够减少细胞受损，并为无标记成像提供所需的对比度。”

相干公司的Chameleon Discovery设备能够提供680nm至1300nm的可调谐输出。相干公司的产品营销总监Darryl McCoy 表示：“制造出能产生更长波长的设备的最大挑战是光学参量振荡器（OPO）和群速度色散（GVD）补偿器中光学元件和多层光学薄膜的设计与制造。”

设计过程需要精心优化才能精确地控制色散、拓展波长范围以及避免由于高腔内峰值功率导致涂层受损。

McCoy说道：“这三条标准对于我们提供短脉冲和最宽调谐范围的目标来说至关重要。最终我们的设备能够既拥有超快激光器的性能也实现了稳定性，能够同时满足研究和商业应用的需求。”

一些有关三光子激发的最新研究，特别是神经科学领域，正在使用掺镱光纤激光器发出的长波长光。由于双光子激发中使用了同种荧光分子，这表示激光波长增加了50%，因此研究人员能够深入监测动物脑部活动的实验。

McCoy继续说道：“限制监测深度的主要原因是光的散射，脑组织是不均匀的且散射与激光波长有很强的反比关系。因此老鼠脑内脑白质以外的部分难以成像，但该研究的意义依旧很大，因为下面的海马区是学习和记忆信息的重要来源。”

Kling认为，未来将这种超速光学技术与纳米级的器件相结合，有望进一步减小一些特定应用的尺寸及所需的功率。

Kling表示：“目前制造直径在微米范围内的光纤已经实现，这种光纤能够与最小的注射针头配合使用。这些发展能够开创微光学诊断和手术的新时代。”

解密超快物理进程

超快光学技术使科学家能够检测到比皮秒（〖10〗^(-12)s）更快的物理过程。在这个范围内， 分子和原子的运动细节将会前所未有地显露出来。在由飞秒激光放大器驱动的阿秒科学领域中，即使是电子的运动细节过程也能够实时监测。

阿秒激光脉冲（1阿秒=〖10〗^(-18)秒）于2001年由Reinhard Kienberger博士、Ferenc Krausz教授及其科研团队首次证明。随后奥地利维也纳科技大学实验室制造出阿秒激光脉冲，并使用最先进的技术记录了电子运动电影。

图为用于在阿秒脉冲束线（AS-5）中产生阿秒激光脉冲的气体填充毛细管。图片来源：Thorsten Naeser/马克思普朗克量子光学研究所。

Kienberger表示：“在我看来，使用超快光学测量沿着生物分子链的电子转移是目前最令人兴奋的应用。科学家们在过去的几年中已经能够使用确定的波形产生亚循环激光脉冲（只携带一个电场的光学循环）。其他的几种新型测量技术可以深入探索更快速的过程并在原子尺度上控制进程。这些都是伟大的成就。”

在具有任意电场波形的宽频谱范围内产生的这种超短光脉冲代表科学家们首次控制光对原子和分子中电子施加的力。

Kling说道：“目前自由电子的转向范围以及化学转化的方向性都能够被控制，这将在未来形成合成药物的新方法。调整后的脉冲以及明确定义的场波形也很有可能在生物医学中有其他应用。”

Kling 补充说道：“尽管未来的发展令人印象深刻，我们依旧处于超快光学应用于生物医学和生命科学领域的初始时期，特别是实验室之外的应用。”

来自德国马丁雷德门罗系统有限公司，光纤激光器国际销售主管Mose Choi博士解释说，无论是何种应用，商业化的最大挑战在于成本效益低以及缺乏广泛使用的终端消费者应用。

他说道：“这项技术几乎有无限的应用可能性，但依旧需要验证技术可行性和生产成本。未来，该技术将广泛应用于量子计算、多模式显微镜、高速通行以及安全应用等。”

超快空腔光学器件的清洁

当然，高性能的光学元件需要更多的专业技术，包括具有高反射率、低群速度色散的多层涂层设计，以及能够避免由于高功率脉冲导致涂层受损位于涂层界面处的电场。但相干公司的Marco Arrigoni指出对于光学元件的关注尽管听起来没有技术含量，但实际同等重要。

Marco表示：“相干公司开创的领域之一即超快激光器的工业化，包括在生命科学领域中使用的超快激光器，其通常能够持续数千小时的自动工作模式，激光光学在其中的作用至关重要。”

清洁光学元件是维护超快激光器的重要步骤。如果不能保持元件的洁净，则会损伤激光器的性能。且飞秒脉冲的高峰功率值可能会长久地损坏这些“不干净”的光学涂层。

Marco说道：“因此现如今我们只需要首先确保材料、装配或测试方法以及密封腔的洁净，来确保激光器内部的光学元件不被灰尘或水蒸气等污染，以此保证这些内部光学元件的高性能。”

来源： https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62238&PID=2&VID=143&IID=954

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