說(shuō)飛秒激光技術(shù)近年來(lái)發(fā)生了轉(zhuǎn)變是輕描淡寫(xiě)的，它不僅最大限度地減少了技術(shù)方面的巨大進(jìn)步，而且尤其是在可訪問(wèn)性方面的改進(jìn)。復(fù)雜的桌面擠滿(mǎn)了用戶(hù)構(gòu)建的組件和無(wú)數(shù)需要日常關(guān)注的離散光學(xué)器件，已經(jīng)讓位于為滿(mǎn)足飛秒應(yīng)用領(lǐng)域快速變化的世界而量身定制的單盒系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)變的早期例子是用于多光子顯微鏡的可調(diào)諧激光器，緊隨其后的是強(qiáng)大的工業(yè)一體式激光器，用于支持從支架切割到 OLED 加工的微加工應(yīng)用。
飛秒激光脈沖可以從兩種材料之間的界面或任何非中心對(duì)稱(chēng)的材料中產(chǎn)生少量的二次諧波光。產(chǎn)生的二次諧波光信號(hào)可以無(wú)損檢測(cè)和成像半導(dǎo)體晶圓表面上下的特征，例如結(jié)構(gòu)缺陷、薄膜質(zhì)量，甚至微量金屬污染。
如今，這一發(fā)展趨勢(shì)的最新示例包括一系列功率范圍小于 5W 的鞋盒尺寸密封激光器，在關(guān)鍵工作點(diǎn)具有固定波長(zhǎng)，包括 780、920 和 1064 nm。這些用戶(hù)友好型激光器進(jìn)一步提供了與應(yīng)用相關(guān)的參數(shù)，例如短脈沖寬度和高光束質(zhì)量、優(yōu)化最終脈沖寬度的預(yù)補(bǔ)償以及輸出功率的快速調(diào)制和控制。
新一代超快激光器經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)優(yōu)化，可支持終端市場(chǎng)的用戶(hù)需求，例如增材制造、醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體計(jì)量和應(yīng)用研究。
納米制造
激光可用于許多增材制造 (AM) 工藝，包括金屬的激光燒結(jié)和聚合物的立體光刻。這些過(guò)程中的每一個(gè)都提供了一種無(wú)需掩模或模具即可創(chuàng)建復(fù)雜而獨(dú)特的結(jié)構(gòu)的方法。增材制造對(duì)于小規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用特別有價(jià)值，例如零件的快速原型制作或個(gè)性化醫(yī)療植入物。
一種新興的 AM 方法是一種稱(chēng)為雙光子聚合的立體光刻技術(shù)，由于多種原因，它正在迅速引起人們的興趣。首先，它能夠比任何其他 AM 方法具有更高的空間分辨率。其次，它是一種三維自由成型工藝，因此它不受激光燒結(jié)或單光子立體光刻的加工限制的限制，其中零件必須從下向上或自上而下逐層創(chuàng)建。
緊湊、免提飛秒激光器的出現(xiàn)使雙光子聚合等技術(shù)在許多行業(yè)和應(yīng)用中更加經(jīng)濟(jì)可行。
激光技術(shù)是如何做到這一點(diǎn)的?在立體光刻中，激光束聚焦到光敏樹(shù)脂浴中。當(dāng)合適波長(zhǎng)的光(通常是紫外光)照射到這種樹(shù)脂上時(shí)，它會(huì)破壞聚合物的鍵，材料變得具有反應(yīng)性，從液態(tài)單體化學(xué)物質(zhì)中形成固體聚合物。
雙光子聚合是一種具有較高空間分辨率的三維自由形式增材制造技術(shù)，能夠生產(chǎn)極小的零件和特征。新的飛秒激光器使雙光子聚合技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上更加可行。由 Wildman 實(shí)驗(yàn)室/諾丁漢大學(xué)提供。
此過(guò)程允許直接從 CAD 文件創(chuàng)建幾乎任何形狀，并且原材料并不昂貴。在雙光子方法中，超快激光被定制為樹(shù)脂通常吸收的正常波長(zhǎng)的兩倍。通過(guò)使用高數(shù)值孔徑 (NA) 光學(xué)器件，光束被聚焦到纖細(xì)的腰部。在這個(gè)腰部，而且只有在這個(gè)腰部，超快脈沖的峰值功率高到足以驅(qū)動(dòng)雙光子吸收。
這種方法提供了無(wú)與倫比的分辨率，原因有二。首先，使用高 NA 光學(xué)器件會(huì)產(chǎn)生緊密的微米級(jí)腰部，其次，由于雙光子吸收取決于峰值功率的平方，因此可以調(diào)整傳輸?shù)募す夤β?，以便在激光束?nèi)只有一個(gè)小的中心區(qū)域。束腰引起聚合。通過(guò)這種方式，該工藝可以提供亞微米空間分辨率，并且香港研究人員報(bào)告了測(cè)量約 100 nm 的特征的創(chuàng)建，他們使用可編程鏡陣列進(jìn)一步加速了該過(guò)程，以創(chuàng)建多光束工藝1。
一類(lèi)新興的飛秒激光器非常適合這種應(yīng)用。這些激光器工作在 780 nm，結(jié)合了高功率、短脈沖寬度和色散預(yù)補(bǔ)償，可在焦平面上提供高通量。與更長(zhǎng)脈沖寬度的激光器相比，這些參數(shù)產(chǎn)生了更有效的聚合過(guò)程，具有更高的分辨率。用戶(hù)友好的電源控制功能進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)過(guò)程的精細(xì)控制。這些新激光器的早期應(yīng)用包括芯片實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品和微結(jié)構(gòu)表面的制造，以及新型光子產(chǎn)品，例如微圖案晶體。
無(wú)標(biāo)記體內(nèi)成像
多光子激發(fā)顯微鏡是整個(gè)生命科學(xué)研究中廣泛使用的工具。與雙光子光聚合一樣，它僅在緊密聚焦的束腰利用飛秒脈沖的高峰值功率時(shí)依賴(lài)于與樣品的空間選擇性相互作用。
這里的一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)涉及轉(zhuǎn)化研究，科學(xué)家們正在緩慢但肯定地將多光子技術(shù)轉(zhuǎn)向臨床實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，并最終轉(zhuǎn)向?qū)崟r(shí)應(yīng)用，如術(shù)中活檢。出于顯而易見(jiàn)的原因，目標(biāo)技術(shù)是那些不需要熒光標(biāo)記或綠色熒光蛋白等轉(zhuǎn)基因蛋白來(lái)生成圖像的技術(shù)。這些技術(shù)包括二次諧波生成 (SHG) 以成像膠原蛋白，其中 920 nm 是合適的波長(zhǎng);三次諧波產(chǎn)生 (THG) 以成像膜，其中 1064 nm 是一個(gè)很好的匹配;和激發(fā)內(nèi)源性熒光以成像各種生物分子和代謝物，其中 780 至 800 nm 效果很好。
高數(shù)值孔徑光學(xué)器件將飛秒激光束聚焦到微小的腰部，超快脈沖的峰值功率足以驅(qū)動(dòng)雙光子吸收。增材制造技術(shù)可提供亞微米空間分辨率，并可創(chuàng)建小至 100 nm 的特征。由 Wildman 實(shí)驗(yàn)室/諾丁漢大學(xué)提供。
雖然 SHG 和 THG 顯微鏡需要飛秒激光，但在可見(jiàn)光或紫外線波長(zhǎng)下工作的連續(xù)波激光也可以激發(fā)這些天然熒光團(tuán)，但會(huì)以一定的成像深度和細(xì)胞損傷的可能性為代價(jià)。因此，飛秒激發(fā)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。
關(guān)鍵的內(nèi)源性熒光團(tuán)包括還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) 和黃素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)——可用作癌癥特征的代謝物。眾所周知，癌細(xì)胞優(yōu)先使用糖酵解而不是氧化磷酸化來(lái)滿(mǎn)足其能量需求。當(dāng)比較正常細(xì)胞和癌細(xì)胞時(shí)，這表現(xiàn)在 NADH 與 FAD 的比率存在明顯差異。NADH 被 700 至 800 nm 波長(zhǎng)的雙光子吸收有效激發(fā)，F(xiàn)AD 的吸收光譜延伸至 890 nm。
利用這些代謝物的早期研究依賴(lài)于兩種不同的超快激光波長(zhǎng)，這對(duì)于診斷或護(hù)理點(diǎn)工作是不切實(shí)際的。幸運(yùn)的是，在過(guò)去的幾年里，研究人員已經(jīng)證明，在 780 到 800 nm 窗口中運(yùn)行的單個(gè)超快激光器可以以相似的效率激發(fā)和成像這兩種物種，因?yàn)?NADH 更強(qiáng)的熒光也可以在“紅色”處激發(fā)其頻譜的盡頭。此外，同樣的研究人員證明，以這種方式獲得的 NADH/FAD 比率是兩種不同前列腺癌細(xì)胞系2的可靠標(biāo)志物。
同樣，在 780 nm 下工作的最新緊湊型飛秒激光器非常適合這一潛在非常重要的應(yīng)用。與雙光子聚合一樣，無(wú)標(biāo)記體內(nèi)成像的其他相關(guān)激光參數(shù)包括出色的光束質(zhì)量以最大限度地提高空間分辨率、短脈沖寬度以最大限度地降低熒光所需的平均激光功率，以及用于簡(jiǎn)化掃描過(guò)程的內(nèi)部功率控制——例如，用于光柵掃描期間的消隱。
先進(jìn)的晶圓計(jì)量
事實(shí)證明，超快激光器在先進(jìn)晶圓計(jì)量領(lǐng)域也越來(lái)越重要。一套成熟的技術(shù)，稱(chēng)為皮秒激光聲學(xué) (PLA)，可測(cè)量層厚度并對(duì)不透明層下的關(guān)鍵對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行成像。后一種能力在多層光刻工藝中很重要。
在 PLA 方法中，激光脈沖(即泵浦)的吸收產(chǎn)生從激光表面向內(nèi)傳播的聲波。下層和結(jié)構(gòu)將其中一些聲能反射回表面，在表面通過(guò)第二個(gè)激光脈沖(即探頭)的反射率變化來(lái)檢測(cè)。
PLA 受益于新一代緊湊型飛秒激光器，因?yàn)檫@些激光器能夠?qū)崿F(xiàn)更高分辨率的成像和改進(jìn)的整體測(cè)量。
由超短激光脈沖和光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的太赫茲輻射具有高強(qiáng)度和寬連續(xù)光譜的特點(diǎn)。由相干公司提供。
飛秒激光支持的最新無(wú)損晶片計(jì)量方法取決于用于細(xì)胞膜無(wú)標(biāo)記顯微成像的諧波產(chǎn)生過(guò)程的變體。兩種材料之間的界面，或任何非中心對(duì)稱(chēng)的材料，在一個(gè)非線性依賴(lài)于激光峰值功率的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生少量的二次諧波光。SHG 光信號(hào)可用于成像和檢測(cè)晶片表面和亞表面的各種特征和特性。這些特征可能包括結(jié)構(gòu)缺陷、薄膜質(zhì)量，甚至微量金屬污染。該技術(shù)已由 FemtoMetrix 成功商業(yè)化，該公司專(zhuān)門(mén)從事表面、埋藏和結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的光學(xué)非視覺(jué)缺陷計(jì)量。
太赫茲產(chǎn)生和檢測(cè)
太赫茲輻射可以在固體和液體材料中提供獨(dú)特的光譜或成像信息。該范圍內(nèi)的低光學(xué)頻率與納米級(jí)粒子的振動(dòng)有關(guān)，例如聚合物和蛋白質(zhì)等宏觀分子，以及晶體等擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的聲子振動(dòng)。因此，例如，太赫茲研究有助于繪制相位邊界。然而，太赫茲頻率范圍幾十年來(lái)一直是電磁頻譜中被忽視的一部分，因?yàn)闆](méi)有簡(jiǎn)單的方法來(lái)產(chǎn)生或檢測(cè)太赫茲輻射。
今天，飛秒激光脈沖可用于多種機(jī)制來(lái)產(chǎn)生和檢測(cè)太赫茲輻射。
一種方法將飛秒激光脈沖聚焦在光電導(dǎo)天線(或開(kāi)關(guān))上，該光電導(dǎo)天線(或開(kāi)關(guān))由夾在施加偏置電壓的兩個(gè)金屬(例如，金)導(dǎo)體之間的諸如砷化鎵(GaAs)之類(lèi)的介電材料條組成。類(lèi)似的結(jié)構(gòu)也被用作太赫茲探測(cè)器。另一種產(chǎn)生太赫茲輻射的方法稱(chēng)為光學(xué)整流，將激光聚焦到非線性晶體中，例如磷化鎵 (GaP) 或碲化鋅 (ZnTe)，從而在太赫茲脈沖中的不同光譜分量之間產(chǎn)生差頻。
通過(guò)飛秒激光脈沖產(chǎn)生太赫茲脈沖與通過(guò)連續(xù)波方法產(chǎn)生的太赫茲脈沖相比具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。超短激光脈沖產(chǎn)生的太赫茲輻射具有較高的強(qiáng)度。它同時(shí)涵蓋了太赫茲光譜的廣泛而連續(xù)的部分，其脈沖特性支持分析技術(shù)，例如時(shí)間相關(guān)光譜學(xué)。因此，脈沖太赫茲輻射已經(jīng)在諸如癌組織的醫(yī)學(xué)診斷、藥物的非破壞性評(píng)估、爆炸危險(xiǎn)的識(shí)別、藝術(shù)和考古學(xué)的檢查以及國(guó)防和安全檢查任務(wù)等不同領(lǐng)域的成像應(yīng)用中找到了用途。
如果由 1 至 5 kHz 的鈦藍(lán)寶石放大器或以兆赫茲重復(fù)率的非線性展寬鐿放大器產(chǎn)生的非常短的脈沖，通過(guò)光學(xué)整流產(chǎn)生的太赫茲可以產(chǎn)生具有大(頻率)帶寬的高平均功率脈沖。
相反，由于潛在的光學(xué)損傷和飽和效應(yīng)，光電導(dǎo)天線僅限于較低的激發(fā)功率。然而，這些天線是產(chǎn)生太赫茲脈沖輻射的最簡(jiǎn)單和最便宜的方法。雖然大多數(shù)天線只需要 20 到 50 mW 的激光功率，但在天線平鋪陣列上發(fā)射單瓦的緊湊型飛秒激光器可以在成本精簡(jiǎn)的設(shè)置中實(shí)現(xiàn)更高功率的太赫茲生成。反過(guò)來(lái)，這樣的設(shè)置可以潛在地將太赫茲時(shí)域光譜 (TDS) 的應(yīng)用從小型實(shí)驗(yàn)室布置擴(kuò)展到更大規(guī)模的工業(yè)和醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用。
下一代飛秒激光器如何融入這張?zhí)掌潏D像?它們的短脈沖寬度使太赫茲輻射的光譜范圍更廣。它們以 1 W 為中心的高平均功率對(duì)于任何一種太赫茲生成方法都很有用，因?yàn)樗鼈兌际切枰咻斎牍β实牡托C(jī)制。
新型飛秒激光器的實(shí)用方面，例如其流線型封裝和可靠性，同樣重要。一些新興應(yīng)用需要便攜式或至少是便攜式系統(tǒng)，以維持這些激光器的廣泛采用。這些小型、廉價(jià)、風(fēng)冷源需要最少的技術(shù)關(guān)注，可以很容易地集成到更完整的系統(tǒng)中，它們可以安裝在所需的任何方向。
未來(lái)的思考
雖然飛秒激光器通常被認(rèn)為是最奇特的相干光源類(lèi)型之一，但它們的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用與所有其他激光技術(shù)共享模式。它們相繼從研究對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯抗ぞ?，并最終在其他工具和系統(tǒng)中用作組件。與其他激光技術(shù)一樣，飛秒光源的發(fā)展受到快速擴(kuò)展的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的推動(dòng)，從生命科學(xué)到工業(yè)診斷再到制造過(guò)程。
來(lái)源：激光行業(yè)觀察