應用分享 | 3μm全光纖結構中紅外超快飛秒激光器
2μm-5μm中紅外激光有著自己獨特的應用：該波段覆蓋了幾段大氣窗口，使其可用于大氣通信、激光測距、超高分辨率天文光譜儀標定和光電探測等【1】，中紅外波段包含被稱為“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量【2】。水分子在3μm附近有很強的吸收峰，使其可用于很多醫(yī)療操作;位于分子共價鍵的吸收譜段，使其可用于分子含量的檢測和分子類型的鑒定，實現(xiàn)分子的成像等。
光纖激光器以其全光纖結構的高穩(wěn)定性、高光束質量、良好的緊湊性、免維護等特點，在過去的近20年蓬勃發(fā)展，近年來隨著中紅外光纖激光技術的不斷發(fā)展和成熟，圍繞中紅外激光技術的研究火熱起來，相關實驗和產品報道層出不窮，這篇文章只討論基于增益有源光纖的單波長中紅外光纖激光器。之前我們討論了全光纖結構的連續(xù)3μm中紅外光纖激光器(中紅外光纖激光技術及應用)。今天我們介紹一下3μm全光纖結構中紅外超快飛秒激光器。3μm全光纖結構中紅外超快飛秒激光器
Femtum是從北美最大的光學中心之一魁北克市光學/光子學和激光中心(COPL)衍生出來的加拿大公司，幾十年來，憑借其獨特的專有中紅外技術，為客戶的實際需求提供創(chuàng)新的解決方案，其產品應用在科研、工業(yè)、醫(yī)療等多個領域。尤其是其3μm全光纖結構中紅外超快飛秒激光器，中紅外波段的特殊性質，選擇性非金屬材料加工在集成光學、半導體制造領域發(fā)揮重要作用。
3μm全光纖結構中紅外超快飛秒激光器應用具體體現(xiàn)在：工業(yè)精細加工和科學研究兩方面。
中紅外超快飛秒激光器工業(yè)加工應用
(1)Femtum中紅外微納加工平臺系統(tǒng)
A. 中紅外激光加工頭
激光束通過光纖傳輸，光纖連接在激光頭上，通過垂直調節(jié)機械固定。在激光傳輸模塊內，光束通過一個雙透鏡望遠鏡擴束準直，并傳輸到安裝在振鏡上的兩個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計了一個快速快門，可以在單次或連續(xù)模式下控制激光器開關，并允許對傳送的脈沖能量進行精細控制。光束聚焦在樣品的f-theta透鏡或高數值孔徑物鏡是可互換的，以調整工作距離和空間分辨率，這取決于應用的要求。處理頭可容納尺寸為250×200毫米的樣品。
B. 可視化模塊
使用高速、高精度三軸位移平臺(ALS20030, AVSI-125, Aerotech)相對于激光焦點移動樣品。行程范圍為300mm，分辨率為100nm。工作臺的最大位移速度為500mm/s。
C. 軟件
Femtum的控制軟件
激光材料的加工取決于幾個參數，如激光峰值強度、材料吸收、脈沖數或位移速度。激光能量被吸收，導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用，關鍵參數需要識別和精細控制。該平臺由Femtum開發(fā)的計算機接口來控制系統(tǒng)。電腦控制著激光、平移臺、快速快門、振鏡掃描儀和視覺相機。同時，高性能軟件可用于編寫特定的程序。(2)幾種典型的工業(yè)加工
A. 選擇性激光技工-光纖剝除
在微電子、醫(yī)療和光電子工業(yè)中，大多數設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。
圖 1：標準激光加工與選擇性激光加工對比
B. 選擇性激光加工-聚合物、玻璃和硅上的薄膜圖案
透明導電薄膜在現(xiàn)代電子器件中有著廣泛的應用。當沉積在玻璃、硅或聚合物基底上時，這些薄的導電薄膜可以導電。TCF被用作OLED和太陽能電池的電極，或者是手機觸摸屏上的導電層。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)標準。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，因此在柔性電子產品方面表現(xiàn)出色。透明導電薄膜的制作這些導電層的制圖是一個非常重要的制造過程，它允許移除層的某些部分使其表面電學特性功能化，并根據應用在層上創(chuàng)建電路。與光刻相比，激光制圖是一種很有前途的方法，因為它提供了定制圖案化的靈活性，具有很高的工作量，同時減少了耗材和預處理步驟。當涉及到TCF的激光圖案時，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。根據沉積工藝或應用，也可以優(yōu)選將TCF層去除基板上方(前處理)或穿過基板(后處理)，如圖2所示。
圖 1：透明導電膜層(TCFs)是所有觸控屏技術的基礎
圖 2：透明導電膜層(TCFs)激光圖案化的兩種方式：正面加工與背面加工
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電膜。中紅外脈沖激光器是薄膜制圖的理想選擇，因為大多數導電薄膜都是基于氧化物材料，在波長3μm左右強烈吸收。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，在這些中紅外波長處具有更高的燒蝕閾值。圖3顯示了一個使用Femtum Nano 2800在PET上使用正面和背面處理方法的ITO圖案示例。
圖 3：采用Femtum Nano 2800光纖激光器在PET基材上進行ITO加工：正面加工與背面加工均未對PET基材造成損傷
由于Femtum Nano 2800優(yōu)異的光束質量，還可以實現(xiàn)小特征尺寸(約10μm)的精確圖案，如圖4所示。
圖 4：在PET基材上實現(xiàn)精確的ITO圖案化，特征尺寸達12μm
使用這種通用的，關鍵的工業(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)，實現(xiàn)了從柔性顯示器到可穿戴傳感器的廣泛應用。C. 半導體微加工
圖：在鍺上鉆孔
D. 聚合物表面波導的激光刻寫
PMMA和聚碳酸酯表面波導刻寫工藝
PMMA和聚碳酸酯被驗證以其做為基礎的表面波導傳感器的“無與倫比的靈敏度和精度”。這個過程需要激光波長和材料的吸收帶相匹配，以改變材料表面的折射率，而不會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之間的波長可調光源，幾乎可以在任何聚合物中高速制作波導。
E. 聚合物表面改性
聚合物的表面功能化可以改變它們的機械、熱、光學和粘附性能，以及它們的親水性與疏水性或生物相容性。使用Femtum激光器可以高速實現(xiàn)光滑的表面改性。
圖：聚碳酸酯表面紋理和丙烯酸酯微透鏡制造
中紅外超快飛秒激光器科研領域應用
(1)UItratune 3400
Ultratune 3400可產生高平均功率(>500mW)和中紅外波長(3μm至3.4μm)可調。全光纖結構確保了系統(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間內將激光精確調諧到選定的中心波長。激光波長可在OH波段(3000nm)和CH波段(3300nm)內調諧，具有較高的穩(wěn)定性和重復性。
Ultratune 3400為鎖模激光源，可產生2800nm的飛秒脈沖。Femtum開發(fā)的集成反饋回路技術確保了飛秒狀態(tài)下可靠的自啟動運行，隨時準備使用，沒有預熱時間，不需要外部調整。在選定的中心波長處，激光的功率譜密度可達>10dBm/nm，其信噪比和光譜特性在傳感、顯微鏡和光譜學等應用中至關重要。
圖 1：典型中紅外光譜，其光譜帶寬(FWHM)超過40nm時間特征優(yōu)異，在整個調諧范圍內，自相關脈沖軌跡無基座，脈沖持續(xù)時間非常穩(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。
圖 2：3200nm脈沖的典型自相關曲線，估算脈沖寬度為214飛秒激光在3400nm的中心波長下工作時，24小時的平均功率測量結果。
圖 3：3400nm波長下的長期平均功率測量，24小時運行期間平均功率的相對標準偏差約為0.25%Ultratune 3400為全光纖結構，在整個調諧范圍內保持單模特性，光束質量因子M2被評估為<1.3。它的光纖傳輸線纜和獨特的光纖準直器便于在顯微鏡、掃描頭、加工站或受限空間上傳輸激光，當激光波長變化時，沒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步和對獨特和選擇性材料加工應用的需求不斷增加，中紅外短脈沖光纖激光器已經從一項有前途的技術發(fā)展到制造業(yè)的主導地位。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志，是第一款在2800nm附近產生納秒級脈沖的中紅外工業(yè)級光纖激光器產品，該波長是薄膜制圖、生物組織燒蝕、聚合物表面變形和半導體微加工等非金屬激光加工應用的重要波長。Nano 2800在短至30ns的近高斯脈沖下可產生>1W的平均功率，脈沖能量可達>100μJ。
圖 1：Femtum Nano 2800的脈沖輪廓生物組織或聚合物加工是最受關注的醫(yī)療方式之一，使用2.8μm激光波長位于液態(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，吸收深度變化很大。Femtum Nano 2800最大的優(yōu)點之一是能夠在2700nm到2850nm之間的水吸收峰附近選擇中心波長，線寬為1nm或更小。
圖 2：液態(tài)水的吸收光譜
A. 精密加工中的高脈沖穩(wěn)定性
在大多數基于脈沖激光的精密材料加工應用中，脈沖序列的一致性是確?？芍貜托院吞岣吖に嚵悸实淖钪匾獏抵?。例如在半導體制造過程中，脈沖穩(wěn)定性與光束質量一同起到至關重要的作用。圖3顯示了來自Nano 2800的50μJ脈沖的時間穩(wěn)定性。
圖 3：a) 脈沖時間輪廓的熱圖視頻;b) 5kHz的脈沖序列(使用帶寬為25MHz的探測器采集)
B. 優(yōu)越的結構成就了長期穩(wěn)定性
Nano 2800的光學、機械和電氣結構旨在增加系統(tǒng)整體穩(wěn)定性，連續(xù)工作7天，產生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。
圖 4：Femtum Nano 2800連續(xù)穩(wěn)定運行7天
C. 交鑰匙系統(tǒng)，控制簡單
(3)典型應用
A. 中紅外激光可被材料或分子選擇性吸收
中紅外波與大多數液體、氣體和非金屬(如塑料、玻璃或生物組織)的基本振動頻率共振，從圖中可以看出，水、甲烷、CO?和聚合物的強吸收波段大多位于中紅外波段，所以在環(huán)境氣體監(jiān)測和分析，顯微鏡、微創(chuàng)激光手術和非金屬激光加工(切割、鉆孔、表面處理等)等方面有重要應用。
圖 1：典型分子與材料的吸收帶分布
B. 中紅外激光器可以在大氣中遠距離傳輸
中紅外區(qū)還包含兩個主要的大氣透射窗口(3-5μm和8-12μm區(qū)域)，這些光譜窗口內的激光可以遠距離傳播，從而在防御(如導彈對抗)和自由空間通信中有多種應用。
圖 2：大氣在中紅外波段具有較高的透過率
C. 中紅外激光器是理想的科學工具
遙感應用
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)化開發(fā)緊湊的片上傳感器，用于環(huán)境監(jiān)測，工業(yè)過程控制甚至醫(yī)療診斷。
圖 3：典型痕量氣體的光譜特征
非線性光學
硅和鍺是強非線性材料，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，設計的無限靈活性可以顯著增強四波混頻、受激拉曼散射和布里淵散射等新型非線性效應。例如，緊湊的超連續(xù)光譜和光頻梳已經被證明使用非線性PICs。當實驗中使用近紅外激光器(波長<2.2μm)時，這些非線性效應被波導中雙光子吸收(TPA)導致的自由載流子吸收和色散所衰減，這時可以通過使用發(fā)射2.5μm以上的中紅外激光器來解決。
圖 4：緊湊型片上非線性微腔器件
集成光學的應用
硅和鍺的相對透射率，硅中有害雙光子吸收(TPA)占主導地位的光譜區(qū)，F(xiàn)emtum激光器是中紅外集成光子學的理想波段。
全光纖結構的3μm中紅外激光器，秉承了光纖激光器的諸多優(yōu)勢，又以其具有特殊特性的波長，未來將在半導體制造、集成光學、光譜分子、醫(yī)療、精密加工以及基礎科研領域發(fā)揮越來越重要的作用。
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參考文獻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.
新聞來源：凌云光子