首款可见光波长飞秒光纤激光器研制成功
技术进步为生物医学应用等领域可靠、紧凑的超快激光器奠定了基础。研究人员最近开发出了第一款能够在电磁波谱可见光范围内产生飞秒脉冲的光纤激光器。 这一进步为各种生物医学和材料加工应用带来了潜力。 这些激光器的独特之处在于它们能够产生超短、明亮的可见波长脉冲，这是激光技术的重大进步。
研究人员开发出了第一台可以在电磁波谱可见光范围内产生飞秒脉冲的光纤激光器。 图片来源：Jérôme Lapointe
从历史上看，实现可见飞秒脉冲需要复杂且本质上低效的设置。 尽管光纤激光器由于其坚固性/可靠性、占地面积小、效率高、成本低和亮度高而成为一种非常有前途的替代方案，但到目前为止，还不可能产生持续时间为飞秒（10-15 s) 直接使用此类激光器进行测距。
加拿大拉瓦尔大学研究团队负责人 Réal Vallée 表示：“我们在可见光谱中演示的飞秒光纤激光器为新型可靠、高效和紧凑的超快激光器铺平了道路。”
研究人员在 Optica 出版集团的《光学快报》杂志上描述了他们的新型激光器，该激光器基于稀土掺杂氟化物光纤。 该激光器发射波长为 635 nm 的红光，可实现持续时间为 168 fs、峰值功率为 0.73 kW、重复率为 137 MHz 的压缩脉冲。 使用商用蓝色激光二极管作为光源或泵浦源，有助于使整体设计坚固、紧凑且经济高效。
研究小组成员包括 Réal Vallée、Marie-Pier Lord、Michel Olivier 以及未在合影中的 Martin Bernier。 图片来源：Jérôme Lapointe
参与该项目的博士生 Marie-Pier Lord 表示：“如果在不久的将来能够实现更高的能量和功率，许多应用都可以从这种类型的激光器中受益。潜在的应用包括高精度、高质量的生物组织消融和双光子激发显微镜。 飞秒激光脉冲还允许在材料加工过程中进行冷烧蚀，这一过程可以[比长脉冲]进行更干净的切割，因为它不会产生热效应。”
扩展光纤激光器的光谱范围
在光纤激光器中，掺杂稀土元素的光纤充当激光介质。 尽管光纤激光器是最简单、坚固且可靠的高亮度激光系统之一，但石英光纤的使用往往将其限制在近红外光谱区域。 Vallée 的团队一直致力于通过使用由氟化物而不是二氧化硅制成的光纤来扩展这些激光源的光谱范围。
“我们之前专注于开发中红外光纤激光器，但最近对可见光纤激光器产生了兴趣，”洛德说。“虽然此类激光器缺乏紧凑高效的泵浦源，长期以来阻碍了其发展，但最近出现的蓝色光谱半导体激光源为高效可见光纤激光器的开发提供了关键技术。”
在展示了连续发射可见波长的光纤激光器后，研究人员希望将这一进展扩展到超快脉冲源。 得益于氟化物光纤制造工艺的改进，现在可以获得镧系元素掺杂光纤，其特性对于开发高效可见光纤激光器至关重要。
创新和未来方向
Vallée 团队开发的新型脉冲光纤激光器将稀土掺杂氟化物光纤与商用蓝色二极管泵浦激光器相结合。 为了产生和维持脉冲输出，研究人员还必须弄清楚如何仔细管理光纤中的光偏振。
“开发新波长的激光器，其中光学元件的材料特性与以前使用的不同，有时可能会很棘手，”合著者米歇尔·奥利维尔（Michel Olivier）说。 “然而，我们的实验表明，我们的激光器的性能与我们的模拟非常吻合。 这证实了该系统表现良好且易于理解，并且该系统的重要参数已正确表征并且非常适合脉冲激光器，尤其是我们使用的光纤的特性。”
接下来，研究人员希望通过使装置完全一体化来改进技术，这意味着各个光纤尾纤光学元件将直接相互粘合。 这将减少装置的光学损耗，提高效率，并使激光器更加可靠、紧凑和坚固。 他们还在研究提高激光器脉冲能量、脉冲持续时间和平均功率的不同途径。
高功率蓝光半导体激光器的未来在何方？
高功率蓝光半导体激光器研发已成为国内外竞争的焦点之一。美、日、德等国家的企业在蓝光LD 芯片的研发上，功率不断提高，封装形式不断标准化，工作更稳定，高功率蓝光半导体激光器不断产业化。高功率半导体激光器的研究目前已相当成熟，光束整形和光纤耦合方法也不断完善，而高功率蓝光半导体激光器发展滞后，主因功率低、价格昂贵，以下主要介绍国内外蓝光高功率激光器的研究状况和应用前景。
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蓝光半导体激光器简介
半导体激光器的分类有多种方法。按波长分有中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等多种类别。而可见光半导体激光器便是其中一个重要的类别。它指的是输出光波长在可见光范围内（400~700 nm）的一类半导体激光器。其中蓝光半导体激光器是输出波长在400 nm-500 nm范围内的半导体激光器。
实现蓝光半导体激光方法有三种：一种是直接发射蓝光的激光二极管；一种是LD倍频的蓝色光源；一种是LD抽运通过非线性光学手段获得的蓝色激光器。早期也用氩离子激光器产生蓝光。蓝光半导体激光器与蓝色LED灯一样，一般采用GaN类半导体材料。在GaN底板上层叠GaN类半导体的结晶层，可直接获得蓝光激光。使用光导波型元件将红外半导体激光器输出光转换成1/2波长的光。例如使用850 nm的红外半导体激光器，可获得425 nm左右的蓝紫色激光。
上海瀚宇光纤通信技术有限公司代理的大功率蓝光激光器
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国内外蓝光半导体器发展历史
20世纪90年代，美国研究人员率先研制出ZnCdSe/ZnSe半导体激光器，77K下得到波长490 nm激光脉冲输出，在常温下波长输出漂移到502 nm。1992年日本索尼公司研制出波长447nm的半导体蓝光激光器，该激光器可在低温下连续输出。1995年日本Nichia公司制成连续运转420 nm氮化物蓝光激光器，其使用寿命达10000小时。
基于光盘及存储设备的需求，蓝光激光器芯片每年竞相更新换代，性能不断提高，蓝光半导体激光器开启商业化进程。2004年，中科院半导体所研制出我国第一台GaN蓝光激光器。Nichia公司提供了两款405 nm激光器，它们能在脉冲工作状态下的输出功率为120 mW，针对刻录应用的高功率产品，还有20 mW针对播放应用的低功率产品。
日本NEC公司利用化学蚀刻法代替了传统的干蚀刻制程光波导，实现了适合量产的高质量激光器结构，开发出了连续工作达到300 mW的激光器。2007年，日本NICHIA公司报道了脉冲振荡输出的420 nm的半导体激光器以及连续振荡输出达1 W的蓝光半导体激光器。
2014年德国OSLM公司发布1.4 W/450nm新型高功率激光二极管以及20发光点的功率达到50 W的蓝光激光器面阵，适用于专业级高端投影仪。
由于GaN基激光器发展的制约，高功率蓝光半导体光纤耦合模块的发展缓慢，阻碍了蓝光激光光源在各领域的应用，尤其在大屏幕激光显示领域，固体激光存在体积大、不稳定、寿命短等问题。2013年德国DILAS公司开发了1.6 W的TO封装的蓝光单管，子模块由8只单管发出的光经过非球面透镜准直90°棱镜旋转的光束整形输出。再将6个子模块合成一束光，最后经过两束偏振光偏振合束，可获得100 W、400 µm/0.22 NA的450 nm激光输出。
2014年德国DILAS公司利用多只慢轴光束质量改进的蓝光单管通过空间合束偏振方法实现了芯径为 200 µm/0.22 NA的光纤，输出100 W的450 nm的光纤耦合模块，耦合效率为 82%，可应用在激光医疗和激光显示。2014年日本岛津所利用空间合束技术实现了芯径为105 µm/ 0.22 NA的输出功率50 W的450 nm的光纤耦合模块，可用于铜等金属微加工。
今年美国西部光电展上，北京凯普林光电展示了他们最新研发的高功率蓝光半导体激光器，波长为450 nm，功率200 W，200 µm/0.22 NA光纤，适用于材料加工和3D打印等领域。
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蓝光激光器的技术优势
红外激光器一直以来很难处理铜等金属的焊接，与市面常见的红外激光器相比，蓝光的金属加工性能约2-10倍。红外激光器只能工作于匙孔模式下，存在高飞溅、气孔缺陷等缺点，机械和电气性能差、良率低、对异种金属的焊接难度大，例如Cu/Al和 Cu/SS等材质。蓝光激光器高质量无飞溅焊接，显著改善了工艺窗口，能实现红外光无法实现或低效率的焊接。
红外光和蓝光吸收对比
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蓝光激光器的应用前景
蓝光激光波长的特点，使得其在各领域的应用广泛。下面我们重点介绍高功率半导体蓝光激光器在激光显示、激光医疗、铜铝等金属微加工及水下通信等的应用。
01
蓝光激光在铜铝等金属的加工应用
基于市场上对高反材料如铜铝及其合金的切割需求日益旺盛，蓝光激光器被广泛用于铜等金属微加工。铜、金等材料具有高反射率的特点，对红外等波长激光吸收率极低，激光照射在这类材料上，大部分能量被反射出去，同时还会迅速将被照射的部分能量传递到周围。造成铜、铝等材料及合金激光切割极其困难，甚至不能被加工。图为铜材料对不同波长激光的吸收率比较。
铜材料对不同波长激光的吸收率比较
铜材料对 1.1 μm 波长附近的激光吸收率极低，因此 1.1 μm 波长的激光不易切割此材料。在355 nm 及532 nm 波长附近的激光，铜、铝的吸收率则很高，但目前此类激光器功率较低，造成激光焊接速度较低，不能加工较厚的材料，加工薄的材料效果较好，但成本高。此外对于YAG激光器，需要经常进行停机维护，更换易损配件，光电转换率低、能耗高，需要较高的维护成本。因此，若能采用高功率蓝光半导体激光对这些材料进行加工，半导体激光可实现长时间稳定运行、易维护，提高加工效率和质量。
02
高密度光学数据存储
蓝光光盘技术目前已取代了 DVD 光盘技术，该技术采用波长为 450 nm 的蓝紫光半导体激光器，主要基于聚焦光电尺寸比红光激光小，从而使光盘盘片的轨道间距比红光光盘缩小一半，记录单元因而减少，所以蓝光光盘单面单层盘片的存储容量大大增加，能达到 20 GB 以上，双层双面等容量则更大。
高密度光学数据存储光盘
03
海洋资源、大气探测及水下通讯
光进入海中，受到海水的作用能量将衰减。引起衰减的原因有吸收和散射。不同波长光在海水中衰减系数不同，对于200~800 nm 的可见光波长在海水中传播的衰减系数，其中400~450 nm之间的蓝色衰减最小，被称为海水光谱透射窗口。基于该原理，蓝光激光被广泛用于水下通信、水下探测等，亦可用于探测海洋渔业资源及海底军事活动，此外，采用蓝光激光器也可探测出最适宜的臭氧含量。
04
激光显示应用
激光显示技术是目前最有潜力的新一代显示技术，具有色域广、寿命长、环保、节能等优点。它能使显示效果达到极致，色彩及清晰度都也能达到极致。目前，国际上许多知名企业如索尼、三菱电气等企业正在加紧研发和布局该技术，并且取得了一些重要成果。
激光显示主要特点是使用红绿蓝三基色激光器为光源，通过三基色激光合成高色温高亮度白光，投影到显示系统，基于激光的短频谱特点，能够合成更多的色彩，色域范围几乎覆盖人类所能看到的所有色彩，大大超过前几代传统光源的范围。
激光显示技术
目前，激光显示主要的研发方向是将激光作为新型光源进行投影，向大屏幕方向发展和三基色激光束在屏幕上进行高速扫描直接成像。
大屏幕的激光显示主要投影技术是采用RGB三基色进行混合获得白光，再进入到成像系统，距离越远，屏幕越大，系统对稳定性、功率和色温要求更高。因此，可利用光纤捆绑的方法获得百瓦以上的高功率蓝光，光斑呈圆形且均匀，尤其适用于激光显示的应用。
05
激光医疗应用
早在1960年世界上第一台红宝石激光器研制成功的时候，红宝石激光紧接着就被用在视网膜凝固机的眼科应用中。
随着激光器的不断更新迭代，到目前为止，使用的激光医疗的临床设备已经有几十种，激光波长覆盖自紫外至红外范围。最常见的应用是激光美容，主要利用激光的高能量、单色光强、激光穿透力等特点，根据人体组织对特定波长的激光吸收率，控制一定波长、功率及均匀亮度的作用于人体组织，使其能在组织局部产生高热量达到预定的疗效。
20世纪80年代，美国哈佛大学皮肤系教授 Rox Anderson 博士提出选择性光热作用原理，根据组织-激光吸收与穿透特性曲线，将特定短波长可见光激光照射在皮肤上进行治疗，蓝绿光刚好可以穿透深度可达到皮肤的色素组织，能够很好的去除溶解该组织部分的色素。目前蓝绿光对红斑痤疮、面部潮红等皮肤症状治疗有很大的应用前景。
此外，蓝色激光可用于捕获和阻尼铯原子的热振动，消除因热振动而引起的多普勒加宽，为光谱线的精确计量提供保证。全固态蓝色激光光源还有望在数－模转换器件、激光和刷术、激光医学、生化技术、材料科学和光通信等许多领域得到广泛的应用。
封面来源：narutofanon.wikia.com
☆ END ☆
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