掺镱激光器
什么是掺镱激光器？
与基于其他增益材料的激光器相比，掺镱激光器具有多项优势。 虽然有时作为板条或盘形激光器，但它们的主要影响是作为可提供超快输出的、用于科学和材料加工应用的光纤激光器。
掺镱 (Yb) 激光器是指增益介质为掺杂了镱 (Yb3+) 离子的基质材料的激光器。 它们发出近红外光，波长介于 1030 到 1070 nm 之间，具体取决于基质。 对于锁模掺镱激光器，该输出可以有效地以倍频或三倍频提供绿光和紫外波长。 这些锁模激光器还可用于泵浦参数设备，提供波长可调的输出。
掺镱激光器的四大优势
掺镱 (Yb) 激光器的主要优势包括：
- 它们可以锁模，提供飞秒 (fs) 输出。 由于能够产生高峰值功率，飞秒脉冲非常适合神经科学的前沿应用以及先进的材料加工应用。
- 它们可以作为光纤激光器生产，即使在要求严苛的工业环境中也能实现简便的操作性和卓越的可靠性。
- 与任何其他飞秒激光器相比，它们可以更好地扩展到更高的功率。 这使得神经科学领域的图像更加明亮，多光子激发速度更快，并为精密切割（如支架等医疗器械）提供更高的产量。
- 它们比其他超快激光器具有更高的电效率。 这使它们与更环保的生产实践兼容，更具可持续性。
现在让我们更详细地了解这些优势的技术基础，然后看看它们如何影响几个有代表性的应用。
一些轻松的技术性读物
锁模提供短脉冲和高峰值功率
锁模是一种使激光器产生非常短的脉冲和非常高的脉冲重复频率的方法。 它使连续波激光器中产生的所有光都坍缩成一个非常短的脉冲，在激光腔内循环。 每当脉冲从部分反射的输出镜上反弹时，都会有一小部分逸出。 因此，激光器自然会产生一个与腔往返时间相对应的脉冲频率。 如果激光腔的长度为 10s/cm 或更短时，意味着重复频率为 10s MHz。
另一方面，脉冲宽度取决于激光器的波长分布（称为“增益带宽”）。更宽的输出产生更短的脉冲，反之亦然。 掺镱的宽带宽意味着这些激光器可以提供短至 50 fs 的脉冲，峰值功率在千兆瓦范围内。
光纤架构提供可靠性和功率扩展性
光纤与功率缩放密切相关。 在任何固态激光器中，面临的挑战是如何从增益材料中去除多余的热量，因为它可能会导致透镜问题甚至损坏。热量必须传导到材料的边缘（表面）才能抽取。 这限制了基于块状晶体的固态激光器的最大功率。 但是，如果增益介质被拉伸成纤维或压缩成盘状，那么材料的每一部分都靠近冷却表面，冷却考虑因素不再阻碍功率的扩展。
掺镱的一个主要优点是它可以承载在玻璃中，而玻璃可以形成纤维或盘状。 然而，光纤激光器的优点是光学机械性能稳定性，不会漂移失准。这种功率可扩展性是掺镱光纤激光器（如Coherent高意生产的 Monaco）继续为飞秒激光器设定新功率标准的原因。 它们固有的可靠性是它们应用于各种要求严苛的应用的原因。
高效的二极管激光泵浦可降低碳足迹
掺镱激光器比其他一些固态激光器的电效率更高，原因有两个。 首先，将电能转化为光能的二极管激光器用于直接泵浦掺镱光纤，没有可能降低整体电效率的中间步骤。 此外，还有一个相对较小的量子缺陷 – 二极管泵浦波长 (976 nm) 与掺镱光纤输出波长（1030 至 1070 nm）之间的差异。 量子缺陷所代表的能量以热量的形式损失掉了，所以像这样的小数值是非常理想的。
掺镱激光器的应用
锁模掺镱光纤激光器的应用领域取决于它们的功率电平和输出波长（红外光、绿光或紫外光）。
多光子神经科学
平均功率为几瓦的低功率激光器主要用于科学应用领域。 在该领域，一体化掺镱激光器与光参量振荡器 (OPO) 集成，提供波长可调的输出。 Chameleon Discovery NX 就是一个例子。 到目前为止，这些可调光源应用最大的领域是多光子显微镜，它为神经科学、活体成像和实时（可能是手术中）活检的转化研究提供高分辨率 3D 图像。
更高功率（10 瓦）放大掺镱激光器包括 Monaco 系列。 红外版本可用于科学和工业应用。 主要的科学应用是在神经科学领域，在该领域，Monaco 与可调谐光参量放大器（如 Opera F）配对，产生的脉冲宽度仅为 50 fs。 波长可调的输出用于三光子成像和双光子光遗传光刺激领域。 在 Monaco 1300 中，两种固定波长的输出（1035 nm 和 1300 nm）由非线性光学器件经济高效地创建，以更好地符合这些应用。
精密材料加工
工业封装的 Monaco 系列为越来越多的精密制造应用带来了飞秒激光加工的独特优势。 红外型号 (Monaco 1035) 支持玻璃切割和焊接、薄膜切割和医疗器械制造等应用，例如支架、TAVR 工具。
Monaco 517 型号提供绿色输出，使其非常适合材料加工应用，例如聚合物切割和钻孔、柔性 PCB 和 IC 封装切割、硅晶圆切割、医疗器械制造、薄金属箔切割和纹理化
Monaco UV 的 345 nm 紫外线输出用于 Flex 组件的材料加工以及一系列无外围热效应材料的切割： OLED 模块、半导体晶圆、薄膜、箔和显示触摸传感器。