2μm-5μm中紅外激光有著自己獨(dú)特的應(yīng)用：該波段覆蓋了幾段大氣窗口，使其可用于大氣通信、激光測(cè)距、超高分辨率天文光譜儀標(biāo)定和光電探測(cè)等^【1】，中紅外波段包含被稱(chēng)為“分子指紋”的特征譜線，可被用于高速、高分辨率、高光譜靈敏度、高信噪比的中紅外光譜測(cè)量^【2】。水分子在3μm附近有很強(qiáng)的吸收峰，使其可用于很多醫(yī)療操作；位于分子共價(jià)鍵的吸收譜段，使其可用于分子含量的檢測(cè)和分子類(lèi)型的鑒定，實(shí)現(xiàn)分子的成像等。

光纖激光器以其全光纖結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性、高光束質(zhì)量、良好的緊湊性、免維護(hù)等特點(diǎn)，在過(guò)去的近20年蓬勃發(fā)展，近年來(lái)隨著中紅外光纖激光技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，圍繞中紅外激光技術(shù)的研究火熱起來(lái)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品報(bào)道層出不窮，這篇文章只討論基于增益有源光纖的單波長(zhǎng)中紅外光纖激光器。之前我們討論了全光纖結(jié)構(gòu)的連續(xù)3μm中紅外光纖激光器（中紅外光纖激光技術(shù)及應(yīng)用）。今天我們介紹一下3μm全光纖結(jié)構(gòu)中紅外超快飛秒激光器。

Femtum是從北美最大的光學(xué)中心之一魁北克市光學(xué)/光子學(xué)和激光中心(COPL)衍生出來(lái)的加拿大公司，幾十年來(lái)，憑借其獨(dú)特的專(zhuān)有中紅外技術(shù)，為客戶的實(shí)際需求提供創(chuàng)新的解決方案，其產(chǎn)品應(yīng)用在科研、工業(yè)、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。尤其是其3μm全光纖結(jié)構(gòu)中紅外超快飛秒激光器，中紅外波段的特殊性質(zhì)，選擇性非金屬材料加工在集成光學(xué)、半導(dǎo)體制造領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

3μm全光纖結(jié)構(gòu)中紅外超快飛秒激光器應(yīng)用具體體現(xiàn)在：工業(yè)精細(xì)加工和科學(xué)研究?jī)煞矫妗?br>

隨著中紅外脈沖光纖激光器的工業(yè)需求不斷增長(zhǎng)，F(xiàn)emtum專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)正在使用該平臺(tái)展示半導(dǎo)體、聚合物和有機(jī)材料的獨(dú)特微納加工處理能力。Femtum制造的先進(jìn)光源是市場(chǎng)上第一款工作在中心波長(zhǎng)3μm的中紅外光纖激光器，F(xiàn)emtum Nano 2800提供峰值功率脈沖，具有近乎完美的高斯光束輪廓，這使其成為加工半導(dǎo)體、聚合物、塑料和薄膜的高端應(yīng)用的理想選擇。例如焊接聚合物層，表面紋理和圖案，光纖剝離，以及表面波導(dǎo)在聚合物上的銘文。這種應(yīng)用依賴(lài)于材料對(duì)中紅外光的吸收作用，能夠在微米尺度上精確控制材料的修飾或去除。

激光束通過(guò)光纖傳輸，光纖連接在激光頭上，通過(guò)垂直調(diào)節(jié)機(jī)械固定。在激光傳輸模塊內(nèi)，光束通過(guò)一個(gè)雙透鏡望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直，并傳輸?shù)桨惭b在振鏡上的兩個(gè)折疊鏡組成的掃描儀。反射鏡以非常高的速度掃描光束。Femtum為中紅外光纖激光器設(shè)計(jì)了一個(gè)快速快門(mén)，可以在單次或連續(xù)模式下控制激光器開(kāi)關(guān)，并允許對(duì)傳送的脈沖能量進(jìn)行精細(xì)控制。光束聚焦在樣品的f-theta透鏡或高數(shù)值孔徑物鏡是可互換的，以調(diào)整工作距離和空間分辨率，這取決于應(yīng)用的要求。處理頭可容納尺寸為250×200毫米的樣品。

使用高速、高精度三軸位移平臺(tái)(ALS20030, AVSI-125, Aerotech)相對(duì)于激光焦點(diǎn)移動(dòng)樣品。行程范圍為300mm，分辨率為100nm。工作臺(tái)的最大位移速度為500mm/s。

Femtum的控制軟件
激光材料的加工取決于幾個(gè)參數(shù)，如激光峰值強(qiáng)度、材料吸收、脈沖數(shù)或位移速度。激光能量被吸收，導(dǎo)致材料在微米尺度上的修飾或去除。為了優(yōu)化任何激光工藝或應(yīng)用，關(guān)鍵參數(shù)需要識(shí)別和精細(xì)控制。該平臺(tái)由Femtum開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)接口來(lái)控制系統(tǒng)。電腦控制著激光、平移臺(tái)、快速快門(mén)、振鏡掃描儀和視覺(jué)相機(jī)。同時(shí)，高性能軟件可用于編寫(xiě)特定的程序。

在微電子、醫(yī)療和光電子工業(yè)中，大多數(shù)設(shè)備包括由不同材料制成的各種層的堆疊。每一層都必須單獨(dú)處理，以確保器件的良好性能。這就是中紅外選擇性激光處理發(fā)揮作用的地方。選擇性激光加工使得僅加工一層材料而不影響由不同材料制成的其它層。

透明導(dǎo)電薄膜在現(xiàn)代電子器件中有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)沉積在玻璃、硅或聚合物基底上時(shí)，這些薄的導(dǎo)電薄膜可以導(dǎo)電。TCF被用作OLED和太陽(yáng)能電池的電極，或者是手機(jī)觸摸屏上的導(dǎo)電層。在TCF家族中，氧化銦錫(ITO)因其優(yōu)異的透明度和電性能而成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。最近的材料，如氧化石墨烯(GO)或PEDOT，由于它們比ITO更容易彎曲，因此在柔性電子產(chǎn)品方面表現(xiàn)出色。

透明導(dǎo)電薄膜的制作

這些導(dǎo)電層的制圖是一個(gè)非常重要的制造過(guò)程，它允許移除層的某些部分使其表面電學(xué)特性功能化，并根據(jù)應(yīng)用在層上創(chuàng)建電路。與光刻相比，激光制圖是一種很有前途的方法，因?yàn)樗峁┝硕ㄖ茍D案化的靈活性，具有很高的工作量，同時(shí)減少了耗材和預(yù)處理步驟。當(dāng)涉及到TCF的激光圖案時(shí)，最大的挑戰(zhàn)之一是有選擇地去除薄膜而不影響底層襯底(玻璃，聚合物，硅等)的能力。根據(jù)沉積工藝或應(yīng)用，也可以優(yōu)選將TCF層去除基板上方(前處理)或穿過(guò)基板(后處理)，如圖2所示。

薄膜的中紅外選擇性激光制圖

為了克服這些挑戰(zhàn)，F(xiàn)emtum開(kāi)發(fā)了一種新的2.8μm的中紅外脈沖光纖激光器，用于選擇性去除不同襯底上的透明導(dǎo)電膜。

中紅外脈沖激光器是薄膜制圖的理想選擇，因?yàn)榇蠖鄶?shù)導(dǎo)電薄膜都是基于氧化物材料，在波長(zhǎng)3μm左右強(qiáng)烈吸收。與紫外或近紅外激光圖案化相比，更容易選擇性地去除這些薄層而不影響襯底，在這些中紅外波長(zhǎng)處具有更高的燒蝕閾值。

圖3顯示了一個(gè)使用Femtum Nano 2800在PET上使用正面和背面處理方法的ITO圖案示例。

由于Femtum Nano 2800優(yōu)異的光束質(zhì)量，還可以實(shí)現(xiàn)小特征尺寸(約10μm)的精確圖案，如圖4所示。

使用這種通用的，關(guān)鍵的工業(yè)光纖激光器在各種襯底上加工TCF的能力，如柔性聚合物(PET, PMMA，聚酰亞胺等)或其他中紅外透明襯底(硅，鍺)，實(shí)現(xiàn)了從柔性顯示器到可穿戴傳感器的廣泛應(yīng)用。

PMMA和聚碳酸酯表面波導(dǎo)刻寫(xiě)工藝

PMMA和聚碳酸酯被驗(yàn)證以其做為基礎(chǔ)的表面波導(dǎo)傳感器的“無(wú)與倫比的靈敏度和精度”。這個(gè)過(guò)程需要激光波長(zhǎng)和材料的吸收帶相匹配，以改變材料表面的折射率，而不會(huì)造成額外的變形或基體燃燒。Femtum的UltraTune 3400是聚合物生物傳感器加工的首選光源。使用2.8μm和3.4μm之間的波長(zhǎng)可調(diào)光源，幾乎可以在任何聚合物中高速制作波導(dǎo)。

聚合物的表面功能化可以改變它們的機(jī)械、熱、光學(xué)和粘附性能，以及它們的親水性與疏水性或生物相容性。使用Femtum激光器可以高速實(shí)現(xiàn)光滑的表面改性。

（1）UItratune 3400

Ultratune 3400可產(chǎn)生高平均功率(>500mW)和中紅外波長(zhǎng)(3μm至3.4μm)可調(diào)。全光纖結(jié)構(gòu)確保了系統(tǒng)可靠性。如圖所示，F(xiàn)emtum的控制軟件可以在不到一秒的時(shí)間內(nèi)將激光精確調(diào)諧到選定的中心波長(zhǎng)。激光波長(zhǎng)可在OH波段(3000nm)和CH波段(3300nm)內(nèi)調(diào)諧，具有較高的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

Ultratune 3400為鎖模激光源，可產(chǎn)生2800nm的飛秒脈沖。Femtum開(kāi)發(fā)的集成反饋回路技術(shù)確保了飛秒狀態(tài)下可靠的自啟動(dòng)運(yùn)行，隨時(shí)準(zhǔn)備使用，沒(méi)有預(yù)熱時(shí)間，不需要外部調(diào)整。在選定的中心波長(zhǎng)處，激光的功率譜密度可達(dá)>10dBm/nm，其信噪比和光譜特性在傳感、顯微鏡和光譜學(xué)等應(yīng)用中至關(guān)重要。

時(shí)間特征優(yōu)異，在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)，自相關(guān)脈沖軌跡無(wú)基座，脈沖持續(xù)時(shí)間非常穩(wěn)定，峰值功率>50kW，足以在中紅外晶體或光纖中利用有效的非線性相互作用。

激光在3400nm的中心波長(zhǎng)下工作時(shí)，24小時(shí)的平均功率測(cè)量結(jié)果。

Ultratune 3400為全光纖結(jié)構(gòu)，在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)保持單模特性，光束質(zhì)量因子M2被評(píng)估為<1.3。它的光纖傳輸線纜和獨(dú)特的光纖準(zhǔn)直器便于在顯微鏡、掃描頭、加工站或受限空間上傳輸激光，當(dāng)激光波長(zhǎng)變化時(shí)，沒(méi)有任何光束指向誤差。

（2）用于激光加工的穩(wěn)定可靠的中紅外光源Femtum Nano 2800

由于軟玻璃纖維的進(jìn)步和對(duì)獨(dú)特和選擇性材料加工應(yīng)用的需求不斷增加，中紅外短脈沖光纖激光器已經(jīng)從一項(xiàng)有前途的技術(shù)發(fā)展到制造業(yè)的主導(dǎo)地位。Femtum Nano 2800是氟化物光纖激光器在可靠性和性能方面成熟的標(biāo)志，是第一款在2800nm附近產(chǎn)生納秒級(jí)脈沖的中紅外工業(yè)級(jí)光纖激光器產(chǎn)品，該波長(zhǎng)是薄膜制圖、生物組織燒蝕、聚合物表面變形和半導(dǎo)體微加工等非金屬激光加工應(yīng)用的重要波長(zhǎng)。Nano 2800在短至30ns的近高斯脈沖下可產(chǎn)生>1W的平均功率，脈沖能量可達(dá)>100μJ。

生物組織或聚合物加工是最受關(guān)注的醫(yī)療方式之一，使用2.8μm激光波長(zhǎng)位于液態(tài)水的高吸收，2.85μm的吸水率是10.6μm的15倍，從圖2的液態(tài)水吸收光譜可以看出，在2.5μm到3μm的光譜帶寬內(nèi)，吸收深度變化很大。Femtum Nano 2800最大的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠在2700nm到2850nm之間的水吸收峰附近選擇中心波長(zhǎng)，線寬為1nm或更小。

在大多數(shù)基于脈沖激光的精密材料加工應(yīng)用中，脈沖序列的一致性是確?？芍貜?fù)性和提高工藝良率的最重要參數(shù)之一。例如在半導(dǎo)體制造過(guò)程中，脈沖穩(wěn)定性與光束質(zhì)量一同起到至關(guān)重要的作用。圖3顯示了來(lái)自Nano 2800的50μJ脈沖的時(shí)間穩(wěn)定性。

Nano 2800的光學(xué)、機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)旨在增加系統(tǒng)整體穩(wěn)定性，連續(xù)工作7天，產(chǎn)生30μJ脈沖，如下圖4所示。激光器可以是自由空間輸出，也可以光纖輸出。

中紅外波與大多數(shù)液體、氣體和非金屬(如塑料、玻璃或生物組織)的基本振動(dòng)頻率共振，從圖中可以看出，水、甲烷、CO?和聚合物的強(qiáng)吸收波段大多位于中紅外波段，所以在環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)和分析，顯微鏡、微創(chuàng)激光手術(shù)和非金屬激光加工(切割、鉆孔、表面處理等)等方面有重要應(yīng)用。

中紅外區(qū)還包含兩個(gè)主要的大氣透射窗口(3-5μm和8-12μm區(qū)域)，這些光譜窗口內(nèi)的激光可以遠(yuǎn)距離傳播，從而在防御(如導(dǎo)彈對(duì)抗)和自由空間通信中有多種應(yīng)用。

遙感應(yīng)用

中紅外覆蓋了分子最重要的光譜特征，使該波段成為分子傳感的理想指紋區(qū)域，并可以優(yōu)化開(kāi)發(fā)緊湊的片上傳感器，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，工業(yè)過(guò)程控制甚至醫(yī)療診斷。

非線性光學(xué)

硅和鍺是強(qiáng)非線性材料，在中紅外波段大部分是透明的，光子集成電路在中紅外環(huán)境下，設(shè)計(jì)的無(wú)限靈活性可以顯著增強(qiáng)四波混頻、受激拉曼散射和布里淵散射等新型非線性效應(yīng)。例如，緊湊的超連續(xù)光譜和光頻梳已經(jīng)被證明使用非線性PICs。當(dāng)實(shí)驗(yàn)中使用近紅外激光器(波長(zhǎng)<2.2μm)時(shí)，這些非線性效應(yīng)被波導(dǎo)中雙光子吸收(TPA)導(dǎo)致的自由載流子吸收和色散所衰減，這時(shí)可以通過(guò)使用發(fā)射2.5μm以上的中紅外激光器來(lái)解決。

集成光學(xué)的應(yīng)用

硅和鍺的相對(duì)透射率，硅中有害雙光子吸收(TPA)占主導(dǎo)地位的光譜區(qū)，F(xiàn)emtum激光器是中紅外集成光子學(xué)的理想波段。

全光纖結(jié)構(gòu)的3μm中紅外激光器，秉承了光纖激光器的諸多優(yōu)勢(shì)，又以其具有特殊特性的波長(zhǎng)，未來(lái)將在半導(dǎo)體制造、集成光學(xué)、光譜分子、醫(yī)療、精密加工以及基礎(chǔ)科研領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

更多相關(guān)技術(shù)文章回顧，請(qǐng)查看《中紅外光纖激光技術(shù)及應(yīng)用》

參考文獻(xiàn)

1. Hao Q, Zhu G S, Yang S, et al. Mid-infrared transmitter and receiver modules for free-space. optical communication [J]. Applied Optics, 2017, 56(8), 2260-2264

.2. Ren X Y, Dai H Li, D T, et al. Mid-infrared electro-ptic dual-comb spectroscopy with feedforward frequency stepping [J]. Optics Letters, 2020, 45(3), 776-779.