铒玻璃激光器

科学家在玻璃基板上制造了千兆飞秒激光器。图片来源：瑞士洛桑联邦理工学院商业飞秒激光器是通过将光学元件及其安装座放置在基板上制造的，这需要对光学器件进行严格对准。那么，是否有可能完全用玻璃制造飞秒激光器？据最新一期《光学》杂志报道，瑞士洛桑联邦理工学院的科学家成功做到了这一点，其激光器大小不超过信用卡，且更容易对准。研究人员表示，由于玻璃的热膨胀比传统基板低，是一种稳定的材料，因此他们选择了玻璃作为衬底，并使用商用飞秒激光器在玻璃上蚀刻出特殊的凹槽，以便精确放置激光器的基本组件。即使在微米级的精密制造中，凹槽和部件本身也不够精确，无法达到激光质量的对准。换句话说，反射镜还没有完全对准，因此在这个阶段，他们的玻璃装置还不能作为激光器使用。于是，研究人员进一步设计蚀刻，使一个镜子位于一个带有微机械弯曲的凹槽中，凹槽在飞秒激光照射时局部可扭动镜子。通过这种方式对准镜子后，他们最终创造出稳定的、小规模的飞秒激光器。尽管尺寸很小，但该激光器的峰值功率约为1千瓦，发射脉冲的时间不到200飞秒，这个时间短到光都无法穿过人类的头发。这种通过激光与物质相互作用来永久对准自由空间光学元件的方法可扩展到各种光学电路，具有低至亚纳米级的极端对准分辨率。

据悉，镭测科技公司经过7年的研发，在国内首次研究成功可伐-玻璃组装式的氦氖激光器，并实现批量生产。这一成果终结了我国50年靠玻璃吹制氦氖激光器的历史，有力推动我国高端激光仪器的发展。　　清华大学教授、镭测科技公司顾问张书练表示，氦氖激光器是气体激光器的一种，是气体激光器中最先研发问世的产品类型。氦氖激光器是以中性原子气体氦和氖为工作物质、由放电管和光学谐振腔构成的激光器，可输出连续激光。氦氖激光器工作在可见光与红外光频段，可输出绿光543.5nm、红光632.8nm、红外光1.15μm和3.39μm等多种波长。其中，红色波长632.8nm在氦氖激光器家族中有独一无二的品质，应用最广泛。波长632.8nm氦氖激光束质量高、光束横截面上光强度非常接近完美的高斯分布，非常小的发散角，传播百米后光斑直径还保有几毫米大小；输出功率稳定，噪声非常低；有天然的频率（波长）稳定点，波长稳定性可以非常高，可以做到1小时时间内632.8nm仅漂移百万甚至亿分之一；造价低，可靠性高，一致性好互换性强等。　　张书练指出，氦氖激光器在仪器仪表、精密测量方面应用广泛，无可替代。国内外的单频干涉仪，双频干涉仪，面型干涉仪，测振仪，椭偏仪，激光陀螺仪等都采用氦氖激光器做光源，这些仪器是精密机床、光刻机、航空、航天、机械和光学加工，薄膜技术等领域精度的保证。我国这些产业向高端发展的速度加快，市场对相关仪器的需求将持续增长，将会拉动我国对可伐-玻璃组装式的氦氖激光器需求规模不断扩大。　　根据某研究中心发布的《2022-2026年氦氖激光器行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，2021年，全球氦氖激光器市场规模约为0.74亿元；预计2021-2026年，全球氦氖激光器市场将以4.2%左右的年均复合增速增长，到2026年市场规模将达到0.91亿元左右。在全球市场中，氦氖激光器生产商主要有美国Lumentum Operations、美国Melles Griot（被Pacific Lasertec收购）、美国Thorlabs、美国Excelitas Technologies、德国Lasos、德国Phywe、日本Neoark。　　张书练表示，多年来，我国依赖玻璃吹制技术生产氦氖激光器（管），激光器之间一致性较差，稳定性不佳，不能达到各类激光仪器的应用要求。过去几十年，虽然国内也有对可伐-玻璃组装式（无吹制）氦氖激光器进行了研究，但没有坚持下来，也曾引进了一条国外（装配）生产线，运行几年，终因没有自己元器件供应链，没有自己的工艺被迫停产。激光仪器仪表仪器装配的氦氖激光器都从国外购买，因为容易频率突跳或不出双频振荡，淘汰率很高。　　镭测科技自主研发的可伐-玻璃组装式的氦氖激光器用已成批用于双频激光干涉仪上和光刻机的失效激光器替换。用作双频激光器时，激光功率可以达到1.3mW以上，激光频率差可选定3MHz、7MHz、10 MHz、20 MHz，或更大，这是国内外以前没有实现的。此外，之前，不论是单频还是双频激光干涉仪，国产还是国外购买，各型号都有几纳米甚至十几纳米的非线性误差，可伐-玻璃组装式的氦氖激光器作光源的双频激光干涉仪非线性误差不大于1纳米。

相信大家在部分科幻电影或动漫中，常常能看到可以植入人体的芯片，用来监控身体各个参数、增强人体机能和神经反应。芯片一旦植入，普通人就变身成为神秘特工或战士。而现实中随着马斯克的脑机接口正在一步步迈向临床，AlphGo把人类棋手完虐等以前只能在科幻电影中见到的“未来科技”，逐步在现实生活中出现的时候，拥有“小身材有大智慧”的AI芯片似乎也能够梦想照进现实了。事实上，如今已有一些“芯片实验室（Lab-on-a-chip）”出现了，并且其发展速度是非常快的！芯片实验室什么是“芯片实验室（Lab-on-a-chip）”？简单地说，能够将整个在实验室中进行的基本操作单位集成到简单微系统上的技术就叫“芯片实验室”。“芯片实验室”中的芯片是作为流体在其中流动的微通道图案，可被模塑或刻蚀。微通道和外部宏观环境之间的连接需要通过若干孔，这些孔穿透芯片，具有不同的尺寸，用于将流体注入芯片或从芯片中移除。在微流控芯片中，根据实验需要，流体被混合、分离或引导。终结果可形成自动复合系统，从而实现高通量检测。在生物医学应用领域，芯片实验室可以实现快速诊断。芯片实验室技术有望成为一种重要的诊断工具。这些微型化的设备使医疗保健服务提供方可以使用非常少量的试剂和测试样本执行一系列诊断测试。此外得益于它们的便携性，还可以在远离实验室环境的现场进行测试。制作芯片实验室（Lab- on-a-chip）或微流控芯片（Microfluidic chip）的材料主要是玻璃，受限于芯片的微尺度特性，在制备过程中，对玻璃进行激光微加工有着很高的要求。制作芯片实验室的大挑战之一是在玻璃芯片内部加工高精度管道、容器和阀门。挑战：玻璃微加工由于其脆性和透明性，玻璃中进行微小的特征加工进行是相当困难的。如果使用常规工具手段，实际上是不可能的。但是快激光器可以胜任这种加工。当脉冲持续时间低于几十皮秒时，激光与材料的相互作用进入冷烧蚀状态，加工质量和精度会变得很高。常规的微制造方法，例如光刻，压印和软蚀刻，已经用于制备微流体芯片。然而，当要实现具有多功能集成的复杂微流控芯片时，这些方法将面临巨大挑战，因为它们需要太多工艺步骤，并且成本很高。刻蚀来啦▲由NKT Photonics的ORIGAMI XP飞秒激光制备的芯片实验室样品大功率快激光脉冲穿透玻璃。紧聚焦的飞秒激光脉冲可以经济地生产具有多功能的通用微流控芯片。短脉冲宽度提供了令人难以置信的峰值功率，即使在透明材料中，也可以进行表面和块状材料内部的改性以进行划线。▲飞秒激光加工的芯片沟道特写快激光确保加工的高精度和高质量。通过利用激光的高度空间选择性，可以将相互作用区域地设置在材料的特定局部区域。这使得飞秒加工技术可以在透明材料中以微尺度对复杂的三维形状进行非常高分辨率的图案化和雕刻。▲深度小于10 μm的沟道特写NKT快激光器可以实现非常精细的深度和通道宽度控制飞秒级短脉冲宽度比材料中的电子-声子耦合过程都短，因此短的飞秒脉冲宽度，意味着在飞秒时间尺度传递能量，这能很好的抑制热影响区的形成和热损害。这种“冷烧蚀”方式实现了高精度和高分辨率的微加工处理，并具有的处理可靠性。紧密聚焦的光束可以在微尺度上非常高分辨率地对复杂形状进行微加工。▲用ORIGAMI XP飞秒激光处理过的芯片实验室样品的特写图片展示为芯片中直径约0.6 mm的圆形储集层NKT Photonics：我们来提供NKT Photonics的快激光提供的短脉冲非常适合用于制备芯片实验室器件。我们强烈建议将ORIGAMI XP用于玻璃和其他透明材料的激光加工。ORIGAMI XP是一款集成、单箱、微焦级飞秒激光器。激光头、控制器和空气冷却系统都集成在一个小巧而坚固的包装中，体积小，甚至可以放在手提行李中！ ORIGAMI XP系统基于紧凑的啁啾脉冲放大技术平台，能够在1030 nm处提供高达75μJ的脉冲能量，5 W的平均功率以及小于400 fs的脉冲持续时间。 特点：• 风冷，单箱体，易于集成• • 双输出波长模块• 的脉冲能量和指向稳定性• 工业，坚固的设计• 可以任意方向安装• 实时脉冲能量测量和控制?• 高可靠性• 亦可用水冷 北京凌云光技术集团作为NKT Photonics公司在中国的战略合作伙伴，多年的合作中NKT Photonics公司与凌云始终如一，为客户不断提供更稳定、更先进、更前沿的技术，如果您对以上产品感兴趣，请拨打400 898 0800 电话问询！