說飛秒激光技術近年來發生了轉變是輕描淡寫的，它不僅最大限度地減少了技術方面的巨大進步，而且尤其是在可訪問性方面的改進。復雜的桌面擠滿了用戶構建的組件和無數需要日常關注的離散光學器件，已經讓位于為滿足飛秒應用領域快速變化的世界而量身定制的單盒系統。這種轉變的早期例子是用于多光子顯微鏡的可調諧激光器，緊隨其后的是強大的工業一體式激光器，用于支持從支架切割到 OLED 加工的微加工應用。

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稱的材料中產生少量的二次諧波光。產生的二次諧波光信號可以無損檢測和成像半導體晶圓表面上下的特征，例如結構缺陷、薄膜質量，甚至微量金屬污染。由 FemtoMetrix 提供。

如今，這一發展趨勢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，在關鍵工作點具有固定波長，包括 780、920 和 1064 nm。這些用戶友好型激光器進一步提供了與應用相關的參數，例如短脈沖寬度和高光束質量、優化最終脈沖寬度的預補償以及輸出功率的快速調制和控制。

新一代超快激光器經過專門優化，可支持終端市場的用戶需求，例如增材制造、醫學、半導體計量和應用研究。

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和聚合物的立體光刻。這些過程中的每一個都提供了一種無需掩模或模具即可創建復雜而獨特的結構的方法。增材制造對于小規模生產應用特別有價值，例如零件的快速原型制作或個性化醫療植入物。

一種新興的 AM 方法是一種稱為雙光子聚合的立體光刻技術，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建。

緊湊、免提飛秒激光器的出現使雙光子聚合等技術在許多行業和應用中更加經濟可行。

激光技術是如何做到這一點的?在立體光刻中，激光束聚焦到光敏樹脂浴中。當合適波長的光(通常是紫外光)照射到這種樹脂上時，它會破壞聚合物的鍵，材料變得具有反應性，從液態單體化學物質中形成固體聚合物。

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，能夠生產極小的零件和特征。新的飛秒激光器使雙光子聚合技術在經濟上更加可行。由 Wildman 實驗室/諾丁漢大學提供。

此過程允許直接從 CAD 文件創建幾乎任何形狀，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脂通常吸收的正常波長的兩倍。通過使用高數值孔徑 (NA) 光學器件，光束被聚焦到纖細的腰部。在這個腰部，而且只有在這個腰部，超快脈沖的峰值功率高到足以驅動雙光子吸收。

這種方法提供了無與倫比的分辨率，原因有二。首先，使用高 NA 光學器件會產生緊密的微米級腰部，其次，由于雙光子吸收取決于峰值功率的平方，因此可以調整傳輸的激光功率，以便在激光束內只有一個小的中心區域。束腰引起聚合。通過這種方式，該工藝可以提供亞微米空間分辨率，并且香港研究人員報告了測量約 100 nm 的特征的創建，他們使用可編程鏡陣列進一步加速了該過程，以創建多光束工藝1。

一類新興的飛秒激光器非常適合這種應用。這些激光器工作在 780 nm，結合了高功率、短脈沖寬度和色散預補償，可在焦平面上提供高通量。與更長脈沖寬度的激光器相比，這些參數產生了更有效的聚合過程，具有更高的分辨率。用戶友好的電源控制功能進一步增強了對過程的精細控制。這些新激光器的早期應用包括芯片實驗室產品和微結構表面的制造，以及新型光子產品，例如微圖案晶體。

無標記體內成像

多光子激發顯微鏡是整個生命科學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依賴于與樣品的空間選擇性相互作用。

這里的一個關鍵趨勢涉及轉化研究，科學家們正在緩慢但肯定地將多光子技術轉向臨床實驗室應用，并最終轉向實時應用，如術中活檢。出于顯而易見的原因，目標技術是那些不需要熒光標記或綠色熒光蛋白等轉基因蛋白來生成圖像的技術。這些技術包括二次諧波生成 (SHG) 以成像膠原蛋白，其中 920 nm 是合適的波長;三次諧波產生 (THG) 以成像膜，其中 1064 nm 是一個很好的匹配;和激發內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。

高數值孔徑光學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動雙光子吸收。增材制造技術可提供亞微米空間分辨率，并可創建小至 100 nm 的特征。由 Wildman 實驗室/諾丁漢大學提供。

雖然 SHG 和 THG 顯微鏡需要飛秒激光，但在可見光或紫外線波長下工作的連續波激光也可以激發這些天然熒光團，但會以一定的成像深度和細胞損傷的可能性為代價。因此，飛秒激發的優勢是顯而易見的。

關鍵的內源性熒光團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，癌細胞優先使用糖酵解而不是氧化磷酸化來滿足其能量需求。當比較正常細胞和癌細胞時，這表現在 NADH 與 FAD 的比率存在明顯差異。NADH 被 700 至 800 nm 波長的雙光子吸收有效激發，FAD 的吸收光譜延伸至 890 nm。

利用這些代謝物的早期研究依賴于兩種不同的超快激光波長，這對于診斷或護理點工作是不切實際的。幸運的是，在過去的幾年里，研究人員已經證明，在 780 到 800 nm 窗口中運行的單個超快激光器可以以相似的效率激發和成像這兩種物種，因為 NADH 更強的熒光也可以在“紅色”處激發其頻譜的盡頭。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胞系2的可靠標志物。

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用。與雙光子聚合一樣，無標記體內成像的其他相關激光參數包括出色的光束質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，以及用于簡化掃描過程的內部功率控制——例如，用于光柵掃描期間的消隱。

先進的晶圓計量

事實證明，超快激光器在先進晶圓計量領域也越來越重要。一套成熟的技術，稱為皮秒激光聲學 (PLA)，可測量層厚度并對不透明層下的關鍵對準標記進行成像。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)的吸收產生從激光表面向內傳播的聲波。下層和結構將其中一些聲能反射回表面，在表面通過第二個激光脈沖(即探頭)的反射率變化來檢測。

PLA 受益于新一代緊湊型飛秒激光器，因為這些激光器能夠實現更高分辨率的成像和改進的整體測量。

由超短激光脈沖和光電導開關產生的太赫茲輻射具有高強度和寬連續光譜的特點。由相干公司提供。

飛秒激光支持的最新無損晶片計量方法取決于用于細胞膜無標記顯微成像的諧波產生過程的變體。兩種材料之間的界面，或任何非中心對稱的材料，在一個非線性依賴于激光峰值功率的過程中會產生少量的二次諧波光。SHG 光信號可用于成像和檢測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構缺陷、薄膜質量，甚至微量金屬污染。該技術已由 FemtoMetrix 成功商業化，該公司專門從事表面、埋藏和結構不規則性的光學非視覺缺陷計量。

太赫茲產生和檢測

太赫茲輻射可以在固體和液體材料中提供獨特的光譜或成像信息。該范圍內的低光學頻率與納米級粒子的振動有關，例如聚合物和蛋白質等宏觀分子，以及晶體等擴展結構的聲子振動。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一直是電磁頻譜中被忽視的一部分，因為沒有簡單的方法來產生或檢測太赫茲輻射。

今天，飛秒激光脈沖可用于多種機制來產生和檢測太赫茲輻射。

一種方法將飛秒激光脈沖聚焦在光電導天線(或開關)上，該光電導天線(或開關)由夾在施加偏置電壓的兩個金屬(例如，金)導體之間的諸如砷化鎵(GaAs)之類的介電材料條組成。類似的結構也被用作太赫茲探測器。另一種產生太赫茲輻射的方法稱為光學整流，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生差頻。

通過飛秒激光脈沖產生太赫茲脈沖與通過連續波方法產生的太赫茲脈沖相比具有幾個優點。超短激光脈沖產生的太赫茲輻射具有較高的強度。它同時涵蓋了太赫茲光譜的廣泛而連續的部分，其脈沖特性支持分析技術，例如時間相關光譜學。因此，脈沖太赫茲輻射已經在諸如癌組織的醫學診斷、藥物的非破壞性評估、爆炸危險的識別、藝術和考古學的檢查以及國防和安全檢查任務等不同領域的成像應用中找到了用途。

如果由 1 至 5 kHz 的鈦藍寶石放大器或以兆赫茲重復率的非線性展寬鐿放大器產生的非常短的脈沖，通過光學整流產生的太赫茲可以產生具有大(頻率)帶寬的高平均功率脈沖。

相反，由于潛在的光學損傷和飽和效應，光電導天線僅限于較低的激發功率。然而，這些天線是產生太赫茲脈沖輻射的最簡單和最便宜的方法。雖然大多數天線只需要 20 到 50 mW 的激光功率，但在天線平鋪陣列上發射單瓦的緊湊型飛秒激光器可以在成本精簡的設置中實現更高功率的太赫茲生成。反過來，這樣的設置可以潛在地將太赫茲時域光譜 (TDS) 的應用從小型實驗室布置擴展到更大規模的工業和醫學成像應用。

下一代飛秒激光器如何融入這張太赫茲圖像?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于任何一種太赫茲生成方法都很有用，因為它們都是需要高輸入功率的低效機制。

新型飛秒激光器的實用方面，例如其流線型封裝和可靠性，同樣重要。一些新興應用需要便攜式或至少是便攜式系統，以維持這些激光器的廣泛采用。這些小型、廉價、風冷源需要最少的技術關注，可以很容易地集成到更完整的系統中，它們可以安裝在所需的任何方向。

未來的思考

雖然飛秒激光器通常被認為是最奇特的相干光源類型之一，但它們的開發和應用與所有其他激光技術共享模式。它們相繼從研究對象轉變為研究工具，并最終在其他工具和系統中用作組件。與其他激光技術一樣，飛秒光源的發展受到快速擴展的實際應用領域的推動，從生命科學到工業診斷再到制造過程。