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飞秒激光技术四大应用方向及未来趋势分析

发表时间: 2023-01-16 08:28:39

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说飞秒激光技术近年来发生了转变是轻描淡写的,它不仅带来了技术方面的巨大进步,而且尤其是在可访问性方面的改进。复杂的桌面挤满了用户构建的组件和无数需要日常关注的离散光学器件,已经让位于为满足飞秒应用领域快速变化的世界而量身定制的单盒系统。这种转变的早期例子是用于多光子显微镜的可调谐激光器,紧随其后的是强大的工业一体式激光器,用于支持从支架切割到 OLED 加工的微加工应用。

说飞秒激光技术近年来发生了转变是轻描淡写的,它不仅带来了技术方面的巨大进步,而且尤其是在可访问性方面的改进。复杂的桌面挤满了用户构建的组件和无数需要日常关注的离散光学器件,已经让位于为满足飞秒应用领域快速变化的世界而量身定制的单盒系统。这种转变的早期例子是用于多光子显微镜的可调谐激光器,紧随其后的是强大的工业一体式激光器,用于支持从支架切割到 OLED 加工的微加工应用。

飞秒激光脉冲可以从两种材料之间的界面或任何非中心对称的材料中产生少量的二次谐波光。产生的二次谐波光信号可以无损检测和成像半导体晶圆表面上下的特征,例如结构缺陷、薄膜质量,甚至微量金属污染。


如今,这一发展趋势的***示例包括一系列功率范围小于 5W 的鞋盒尺寸密封激光器,在关键工作点具有固定波长,包括 780、920 和 1064 nm。这些用户友好型激光器进一步提供了与应用相关的参数,例如短脉冲宽度和高光束质量、优化***终脉冲宽度的预补偿以及输出功率的快速调制和控制。


新一代超快激光器经过专门优化,可支持终端市场的用户需求,例如增材制造、医学、半导体计量和应用研究。


  • 纳米制造:

激光可用于许多增材制造 (AM) 工艺,包括金属的激光烧结和聚合物的立体光刻。这些过程中的每一个都提供了一种无需掩模或模具即可创建复杂而独特的结构的方法。增材制造对于小规模生产应用特别有价值,例如零件的快速原型制作或个性化医疗植入物。


一种新兴的 AM 方法是一种称为双光子聚合的立体光刻技术,由于多种原因,它正在迅速引起人们的兴趣。首先,它能够比任何其他 AM 方法具有更高的空间分辨率。其次,它是一种三维自由成型工艺,因此它不受激光烧结或单光子立体光刻的加工限制的限制,其中零件必须从下向上或自上而下逐层创建。


紧凑、免提飞秒激光器的出现使双光子聚合等技术在许多行业和应用中更加经济可行。


激光技术是如何做到这一点的?在立体光刻中,激光束聚焦到光敏树脂浴中。当合适波长的光(通常是紫外光)照射到这种树脂上时,它会破坏聚合物的键,材料变得具有反应性,从液态单体化学物质中形成固体聚合物。


双光子聚合是一种具有较高空间分辨率的三维自由形式增材制造技术,能够生产极小的零件和特征。新的飞秒激光器使双光子聚合技术在经济上更加可行。由 Wildman 实验室/诺丁汉大学提供。


此过程允许直接从 CAD 文件创建几乎任何形状,并且原材料并不昂贵。在双光子方法中,超快激光被定制为树脂通常吸收的正常波长的两倍。通过使用高数值孔径 (NA) 光学器件,光束被聚焦到纤细的腰部。在这个腰部,而且只有在这个腰部,超快脉冲的峰值功率高到足以驱动双光子吸收。


这种方法提供了无与伦比的分辨率,原因有二。首先,使用高 NA 光学器件会产生紧密的微米级腰部,其次,由于双光子吸收取决于峰值功率的平方,因此可以调整传输的激光功率,以便在激光束内只有一个小的中心区域。束腰引起聚合。通过这种方式,该工艺可以提供亚微米空间分辨率,并且香港研究人员报告了测量约 100 nm 的特征的创建,他们使用可编程镜阵列进一步加速了该过程,以创建多光束工艺。


一类新兴的飞秒激光器非常适合这种应用。这些激光器工作在 780 nm,结合了高功率、短脉冲宽度和色散预补偿,可在焦平面上提供高通量。与更长脉冲宽度的激光器相比,这些参数产生了更有效的聚合过程,具有更高的分辨率。用户友好的电源控制功能进一步增强了对过程的精细控制。这些新激光器的早期应用包括芯片实验室产品和微结构表面的制造,以及新型光子产品,例如微图案晶体。


  • 无标记体内成像:

多光子激发显微镜是整个生命科学研究中广泛使用的工具。与双光子光聚合一样,它仅在紧密聚焦的束腰利用飞秒脉冲的高峰值功率时依赖于与样品的空间选择性相互作用。


这里的一个关键趋势涉及转化研究,科学家们正在缓慢但肯定地将多光子技术转向临床实验室应用,并***终转向实时应用,如术中活检。出于显而易见的原因,目标技术是那些不需要荧光标记或绿色荧光蛋白等转基因蛋白来生成图像的技术。这些技术包括二次谐波生成 (SHG) 以成像胶原蛋白,其中 920 nm 是合适的波长;三次谐波产生 (THG) 以成像膜,其中 1064 nm 是一个很好的匹配;和激发内源性荧光以成像各种生物分子和代谢物,其中 780 至 800 nm 效果很好。


高数值孔径光学器件将飞秒激光束聚焦到微小的腰部,超快脉冲的峰值功率足以驱动双光子吸收。增材制造技术可提供亚微米空间分辨率,并可创建小至 100 nm 的特征。由 Wildman 实验室/诺丁汉大学提供。


虽然 SHG 和 THG 显微镜需要飞秒激光,但在可见光或紫外线波长下工作的连续波激光也可以激发这些天然荧光团,但会以一定的成像深度和细胞损伤的可能性为代价。因此,飞秒激发的优势是显而易见的。


关键的内源性荧光团包括还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) 和黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)——可用作癌症特征的代谢物。众所周知,癌细胞优先使用糖酵解而不是氧化磷酸化来满足其能量需求。当比较正常细胞和癌细胞时,这表现在 NADH 与 FAD 的比率存在明显差异。NADH 被 700 至 800 nm 波长的双光子吸收有效激发,FAD 的吸收光谱延伸至 890 nm。


利用这些代谢物的早期研究依赖于两种不同的超快激光波长,这对于诊断或护理点工作是不切实际的。幸运的是,在过去的几年里,研究人员已经证明,在 780 到 800 nm 窗口中运行的单个超快激光器可以以相似的效率激发和成像这两种物种,因为 NADH 更强的荧光也可以在“红色”处激发其频谱的尽头。此外,同样的研究人员证明,以这种方式获得的 NADH/FAD 比率是两种不同前列腺癌细胞系2的可靠标志物。


同样,在 780 nm 下工作的***紧凑型飞秒激光器非常适合这一潜在非常重要的应用。与双光子聚合一样,无标记体内成像的其他相关激光参数包括出色的光束质量以***限度地提高空间分辨率、短脉冲宽度以***限度地降低荧光所需的平均激光功率,以及用于简化扫描过程的内部功率控制——例如,用于光栅扫描期间的消隐。


  • 先进的晶圆计量:

事实证明,超快激光器在先进晶圆计量领域也越来越重要。一套成熟的技术,称为皮秒激光声学 (PLA),可测量层厚度并对不透明层下的关键对准标记进行成像。后一种能力在多层光刻工艺中很重要。


在 PLA 方法中,激光脉冲(即泵浦)的吸收产生从激光表面向内传播的声波。下层和结构将其中一些声能反射回表面,在表面通过第二个激光脉冲(即探头)的反射率变化来检测。


PLA 受益于新一代紧凑型飞秒激光器,因为这些激光器能够实现更高分辨率的成像和改进的整体测量。


由超短激光脉冲和光电导开关产生的太赫兹辐射具有高强度和宽连续光谱的特点。由相干公司提供。


飞秒激光支持的***无损晶片计量方法取决于用于细胞膜无标记显微成像的谐波产生过程的变体。两种材料之间的界面,或任何非中心对称的材料,在一个非线性依赖于激光峰值功率的过程中会产生少量的二次谐波光。SHG 光信号可用于成像和检测晶片表面和亚表面的各种特征和特性。这些特征可能包括结构缺陷、薄膜质量,甚至微量金属污染。该技术已由 FemtoMetrix 成功商业化,该公司专门从事表面、埋藏和结构不规则性的光学非视觉缺陷计量。


  • 太赫兹的产生和检测:

太赫兹辐射可以在固体和液体材料中提供独特的光谱或成像信息。该范围内的低光学频率与纳米级粒子的振动有关,例如聚合物和蛋白质等宏观分子,以及晶体等扩展结构的声子振动。因此,例如,太赫兹研究有助于绘制相位边界。然而,太赫兹频率范围几十年来一直是电磁频谱中被忽视的一部分,因为没有简单的方法来产生或检测太赫兹辐射。

今天,飞秒激光脉冲可用于多种机制来产生和检测太赫兹辐射。


一种方法将飞秒激光脉冲聚焦在光电导天线(或开关)上,该光电导天线(或开关)由夹在施加偏置电压的两个金属(例如,金)导体之间的诸如砷化镓(GaAs)之类的介电材料条组成。类似的结构也被用作太赫兹探测器。另一种产生太赫兹辐射的方法称为光学整流,将激光聚焦到非线性晶体中,例如磷化镓 (GaP) 或碲化锌 (ZnTe),从而在太赫兹脉冲中的不同光谱分量之间产生差频。


通过飞秒激光脉冲产生太赫兹脉冲与通过连续波方法产生的太赫兹脉冲相比具有几个优点。超短激光脉冲产生的太赫兹辐射具有较高的强度。它同时涵盖了太赫兹光谱的广泛而连续的部分,其脉冲特性支持分析技术,例如时间相关光谱学。因此,脉冲太赫兹辐射已经在诸如癌组织的医学诊断、药物的非破坏性评估、爆炸危险的识别、艺术和考古学的检查以及国防和安全检查任务等不同领域的成像应用中找到了用途。


如果由 1 至 5 kHz 的钛蓝宝石放大器或以兆赫兹重复率的非线性展宽镱放大器产生的非常短的脉冲,通过光学整流产生的太赫兹可以产生具有大(频率)带宽的高平均功率脉冲。

相反,由于潜在的光学损伤和饱和效应,光电导天线仅限于较低的激发功率。然而,这些天线是产生太赫兹脉冲辐射的***简单和***的方法。虽然大多数天线只需要 20 到 50 mW 的激光功率,但在天线平铺阵列上发射单瓦的紧凑型飞秒激光器可以在成本精简的设置中实现更高功率的太赫兹生成。反过来,这样的设置可以潜在地将太赫兹时域光谱 (TDS) 的应用从小型实验室布置扩展到更大规模的工业和医学成像应用。


下一代飞秒激光器如何融入这张太赫兹图像?它们的短脉冲宽度使太赫兹辐射的光谱范围更广。它们以 1 W 为中心的高平均功率对于任何一种太赫兹生成方法都很有用,因为它们都是需要高输入功率的低效机制。


新型飞秒激光器的实用方面,例如其流线型封装和可靠性,同样重要。一些新兴应用需要便携式或至少是便携式系统,以维持这些激光器的广泛采用。这些小型、廉价、风冷源需要***少的技术关注,可以很容易地集成到更完整的系统中,它们可以安装在所需的任何方向。


虽然飞秒激光器通常被认为是***奇特的相干光源类型之一,但它们的开发和应用与所有其他激光技术共享模式。它们相继从研究对象转变为研究工具,并***终在其他工具和系统中用作组件。与其他激光技术一样,飞秒光源的发展受到快速扩展的实际应用领域的推动,从生命科学到工业诊断再到制造过程。

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