卓立汉光为什么选择国产化光纤飞秒激光器

今天我们简单介绍一下卓立汉光作为精密科研仪器的研发，生产与集成一体的供应商，为什么会选择国产化光纤飞秒激光器。这里面有三个递进关系”“飞秒激光器”，“光纤飞秒激光器”，和“国产化光纤飞秒激光器”

图1. 卓立汉光FFL-20光纤飞秒激光器

首先，我们卓立汉光公司在旗下的瞬态荧光光谱系统，宽场瞬态吸收光谱系统/显微光谱成像系统，基于条纹相机的瞬态光谱测试系统里面均有飞秒激光器的配置选项，比如飞秒激光振荡器，飞秒激光放大器，飞秒OPA波长可调谐激光器等。在这里，我们并不限定一定用国产还是进口的飞秒激光器，同样不限定是采用钛宝石飞秒激光还是光纤飞秒激光。实际上，我们多次集成了国际顶尖的进口飞秒激光器或者飞秒OPA，糅合进我们的系统提供给客户。简而言之，一切从客户的需求和已有资源出发，我们可以很开放的和您讨论：

• 针对您的现在与未来的应用，选择哪些激光器与周边设备较为适合。
• 基于您划定已有明确意向的激光器型号，或者您划定做重点参考的科学文献，卓立汉光和您讨论是否可以完成从零开始的设备整合，给您提交一个甚至细化到软件的打包系统。
• 针对您实验室已有的飞秒激光器，讨论是否可以根据您的设想，配套或升级一个新的超快测试模组。

在这些情况下，激光器无论国产还是进口的，无论是客户已拥有还是意向的，肯定都是可以讨论并可能采用的。

进一步，卓立汉光为什么会采用光纤飞秒激光器？

和光纤飞秒激光器做比较的大多是传统的钛宝石飞秒激光器。先说结论：一般而言，如果您的应用从参数看可以采用基于光纤架构的飞秒激光器，或者是您为开展新工作而收集到的参考文献中有提及采用过光纤飞秒激光器，您都不妨把光纤飞秒激光器作为重点考虑对象。

• 光纤飞秒激光器可做到客户无需激光专业背景，即插即用，免维护，无需超净恒温环境。

对于拥有飞秒激光器的单位比如超快光谱实验室来说，传统上被认为肯定拥有恒温恒湿的超净间；这还不够，对于传统钛宝石类超快激光，运气不好的话，功率掉了，模式锁不住了，还需要有专人给调回来。做一个相对片面的解释，从工作机理而言，所有的激光器都需要达到一个热平衡，才能实现长时间且稳定的输出。激光器本体发热与散热达到平衡，且无惧环境扰动这个要求说起来简单，能做到且能做好的就相当不容易了。这就是相干，光谱物理这样的钛宝石飞秒激光器一线大厂一贯以来受到用户推崇原因。您确实可以看到比这“御两家”顶流公司脉宽更短，能量更高的钛宝石激光器竞品，建议您提前做好准备，可能这台激光器会相对更难伺候，对实验室的环境要求更高（恒温，干燥肯定是必要的；空调不能直吹激光器，哪怕空调风侧着扫过都不允许，因为可能在激光器本体上产生局部的温度梯度）。说回光纤飞秒激光器，相对而言，光纤飞秒激光器在获得与保持热平衡的机理上就比钛宝石激光器优秀很多。在这里有一个简易的参数，就是增益介质的表面积与体积比；增益介质的表面积/体积数值越大，就越容易设计与制造散热控温机构。比如同样是激光增益介质，钛宝石是块状体材料，而光纤材质长，细且柔软。相比较而言，光纤的散热表面积/体积比值远大于钛宝石；柔软的光纤可以方便的盘在散热热沉上，再加上光纤相对较细，在整个散热截面上就不容易出现热梯度；具备散热与控温结构上的巨大先天优势，这就带来两个好处：一个是自身容易达到且保持热平衡，二是就算外界环境出现热扰动，对于光纤增益介质几乎不会产生干扰，不会出现诸如“热透镜”等现象。光纤飞秒激光器抗环境干扰，工作稳定，需要重调和维护的可能性就小很多，也不再要求高级的恒温恒湿与超净环境，用户友好度上是可以说是乘数倍的提升。

• 较高端的光纤飞秒激光器的脉冲宽度和重复频率是可调的。(以卓立汉光的FFL-20光纤飞秒激光器-图1为例），脉冲宽度350fs-10ps可调，激光重复频率单发-1MHz可调。很简单，还是如前所言，激光器要实现稳定输出，就需要保持一个稳定的热平衡。当一台脉冲激光器在脉冲宽度或者重复频率发生变化时，激光增益介质本身的热平衡就会发生变化，而光纤飞秒激光器在散热与控温架构上做到好的设计与制造工艺后，就可以保证激光器本身迅速的达到新的热平衡且保持稳定。

卓立汉光FFL-20光纤飞秒激光器与ST-10条纹相机搭配系统

图2.卓立汉光ST-10条纹相机+Omni-300光栅光谱仪

卓立汉光ST-10条纹相机参数

卓立汉光FFL-20光纤飞秒激光器与参数

从实际应用来分析，以卓立汉光ST-10基于条纹相机的瞬态光谱测试系统为例，条纹相机的特点是可以测单发不重复现象，仅仅一个脉冲所激发出的瞬态光谱的光谱轴和寿命轴可以被条纹相机同时采集下来，而卓立汉光FFL-20光纤飞秒激光器也可以做单发触发，并和ST-10条纹相机严格同步，测试此类单发不重复现象。而进一步的，FFL-20光纤飞秒激光器也可以调谐到指定重复频率，我们知道，重复频率越高，则可以做到更多的积分平均以提升光谱采集信噪比。以上是调谐重复频率的意义。

另外，飞秒激光脉冲的峰值功率密度是很高的，往往超过样品的损伤阈值，此时可以适当调宽激光的脉冲宽度以保护样品。从条纹相机瞬态光谱采集分辨率为5ps来看，将激光脉冲宽度调节到1ps不会影响系统的时间分辨率。简单讲，对于不同样品而言，漂白阈值或者讲损伤阈值也是不一样的；而脉冲宽度与激光峰值功率密度强相关，脉冲重复频率与激光平均功率密度强相关，激光器自身的脉冲宽度和重复频率可调的话，可以做到对于不同材料某种形式的*优化激发。这个特点对于激光器一机多用，同时也希望做一些超快激光加工实验的客户而言则更为重要，我们知道，同样的冷加工，皮秒激光的加工效率往往是高于飞秒激光的；而脉冲宽度可调，重复频率可调，就可以给使用者更大的自由的摸索*佳加工工艺参数，实现*佳加工质量的同时保证*佳加工效率。

再进一步，卓立汉光为什么会有国产化光纤飞秒激光器的解决方案。

当然，*容易理解的原因就是我们国产光纤飞秒激光器有重大的节省预算优势。

进口飞秒激光器乃至一些顶尖的光纤飞秒激光器交货期很长，甚至由于某些国家间利益或是意识形态的冲突，中国的客户往往会受到进口/出口许可的限制。在这些情况下，在某些参数上做某种程度的妥协，或者说在实践验证中，我们国产设备的性能就已经可以满足需要时，采用国产设备就是一个很现实且有效的选择了。另外，当我们国产设备做的足够好时，哪怕是存在中外公司间甚至是国家间的利益冲突，别人也会考虑降低出口许可限制和降价的，不是么？

相对而言，国产化的光纤飞秒激光器更容易追赶世界顶尖光纤飞秒激光器的脚步。我们知道，从市场角度看，整个激光器产业的规模再大，也远远不如光纤通信产业的规模，基于光纤通信产业超级强大的产业规模化，工艺精细化，器件标准化；用于光纤激光器的特种光纤，光纤器件间，光纤器件与空间光器件间的相互耦合等环节可以直接引用高度成熟的工艺甚至是高度成熟的器件，这就为国内厂家设计制造出的光纤激光器提供了一个非常坚实的基石。我们有理由推测，国产激光厂家在钛宝石激光器领域全面追赶相干或光谱物理这样的“御两家”机会其实不大；但在光纤激光器领域，国产厂家在功能，稳定性与性价比上全面追赶IPG这样的产业巨头是完全有前景的。也正因此，国内涌现了锐科，创鑫，杰普特这样的光纤激光器企业，而我们卓立汉光也在一些特种光纤激光器上有我们自己的一些深耕细作（如图3.卓立汉光公司控股的中镭光电出品的2um光纤激光器）。

图3.中镭光电光纤飞秒激光器

当然，从应用来讲，光纤飞秒激光器也并不会全面取代钛宝石飞秒激光器，比如说：

在*短脉冲宽度上，光纤飞秒激光器天生弱于钛宝石飞秒激光；一般来说，几百飞秒级别的光纤器被认为在性能，稳定性和价格上的一个优化均衡。用户在架构实验平台时，当然可以考虑采购更短脉宽的飞秒激光器，但同时也必定需要应对随之而来的光路内器件的脉冲展宽，色散等问题，设备操作维护问题。您不妨在经费预算允许的情况下，同时也考虑一台光纤飞秒激光器，可以轻松愉快的应对一些对脉冲宽度不严格要求的应用。

钛宝石飞秒激光器和后续的放大器容易做到更高的单脉冲能量。确实，这是钛宝石激光加放大器和光纤飞秒激光加放大器走的两个不同的价值取向。进口光纤飞秒激光器接放大器大致可做到mJ的*高单发能量，而以FFL-20为例国产光纤飞秒激光器大致做到400-800uJ的单发能量；从瞬态光谱的实际应用来说，做泵浦探测一类瞬态吸收的应用百uJ能量已经足够，而荧光激发百nJ级别都可以。实际上，单发能量没做到很高带来的一个好处是重复频率可以做到更高。从这个角度看，更高的重复频率更加适合做多次平均积分，以提升光谱测试系统信噪比，而且激光单脉冲能量只要够用就好，过高反而容易损坏样品。所以说对诸多实际应用而言，往往*平衡的才是*有效的。

类似的考量事实上也发生在飞秒激光微加工应用上，从实际应用而言，不过分短的脉冲宽度（比如几百飞秒或以上）就使得显微镜光路系统无需过分纠结于脉冲展宽和色散等问题，反而容易在聚焦光斑质量，系统经济性等方面获得*佳配比；不过分强调单脉冲能量（还是讲够用就好），反而容易在激光重复频率和加工速度上获得*佳配比。如果您在光谱测试的同时也考虑激光微加工应用的话，也欢迎和我司进一步讨论或寄来样品打一打试样。