应用分享 | 3µm全光纤结构中红外超快飞秒激光器

4/07/2025，光纤在线讯，2µm-5µm中红外激光有着自己独特的应用：该波段覆盖了几段大气窗口，使其可用于大气通信、激光测距、超高分辨率天文光谱仪标定和光电探测等，中红外波段包含被称为“分子指纹”的特征谱线，可被用于高速、高分辨率、高光谱灵敏度、高信噪比的中红外光谱测量。水分子在3µm附近有很强的吸收峰，使其可用于很多医疗操作；位于分子共价键的吸收谱段，使其可用于分子含量的检测和分子类型的鉴定，实现分子的成像等。



光纤激光器以其全光纤结构的高稳定性、高光束质量、良好的紧凑性、免维护等特点，在过去的近20年蓬勃发展，近年来随着中红外光纤激光技术的不断发展和成熟，围绕中红外激光技术的研究火热起来，相关实验和产品报道层出不穷，这篇文章只讨论基于增益有源光纤的单波长中红外光纤激光器。之前我们讨论了全光纤结构的连续3µm中红外光纤激光器（中红外光纤激光技术及应用）。今天我们介绍一下3µm全光纤结构中红外超快飞秒激光器。

3µm全光纤结构中红外超快飞秒激光器

Femtum是从北美最大的光学中心之一魁北克市光学/光子学和激光中心(COPL)衍生出来的加拿大公司，几十年来，凭借其独特的专有中红外技术，为客户的实际需求提供创新的解决方案，其产品应用在科研、工业、医疗等多个领域。尤其是其3µm全光纤结构中红外超快飞秒激光器，中红外波段的特殊性质，选择性非金属材料加工在集成光学、半导体制造领域发挥重要作用。



3µm全光纤结构中红外超快飞秒激光器应用具体体现在：工业精细加工和科学研究两方面。

中红外超快飞秒激光器工业加工应用

（1）Femtum中红外微纳加工平台系统

 

随着中红外脉冲光纤激光器的工业需求不断增长，Femtum专业团队正在使用该平台展示半导体、聚合物和有机材料的独特微纳加工处理能力。Femtum制造的先进光源是市场上第一款工作在中心波长3µm的中红外光纤激光器，Femtum Nano 2800提供峰值功率脉冲，具有近乎完美的高斯光束轮廓，这使其成为加工半导体、聚合物、塑料和薄膜的高端应用的理想选择。例如焊接聚合物层，表面纹理和图案，光纤剥离，以及表面波导在聚合物上的铭文。这种应用依赖于材料对中红外光的吸收作用，能够在微米尺度上精确控制材料的修饰或去除。

A. 中红外激光加工头
激光束通过光纤传输，光纤连接在激光头上，通过垂直调节机械固定。在激光传输模块内，光束通过一个双透镜望远镜扩束准直，并传输到安装在振镜上的两个折叠镜组成的扫描仪。反射镜以非常高的速度扫描光束。Femtum为中红外光纤激光器设计了一个快速快门，可以在单次或连续模式下控制激光器开关，并允许对传送的脉冲能量进行精细控制。光束聚焦在样品的f-theta透镜或高数值孔径物镜是可互换的，以调整工作距离和空间分辨率，这取决于应用的要求。处理头可容纳尺寸为250×200毫米的样品。




B. 可视化模块
使用高速、高精度三轴位移平台(ALS20030, AVSI-125, Aerotech)相对于激光焦点移动样品。行程范围为300mm，分辨率为100nm。工作台的最大位移速度为500mm/s。

C. 软件
Femtum的控制软件
激光材料的加工取决于几个参数，如激光峰值强度、材料吸收、脉冲数或位移速度。激光能量被吸收，导致材料在微米尺度上的修饰或去除。为了优化任何激光工艺或应用，关键参数需要识别和精细控制。该平台由Femtum开发的计算机接口来控制系统。电脑控制着激光、平移台、快速快门、振镜扫描仪和视觉相机。同时，高性能软件可用于编写特定的程序。

（2）几种典型的工业加工

A. 选择性激光技工-光纤剥除
在微电子、医疗和光电子工业中，大多数设备包括由不同材料制成的各种层的堆叠。每一层都必须单独处理，以确保器件的良好性能。这就是中红外选择性激光处理发挥作用的地方。选择性激光加工使得仅加工一层材料而不影响由不同材料制成的其它层。

 
图 1：标准激光加工与选择性激光加工对比

B. 选择性激光加工-聚合物、玻璃和硅上的薄膜图案
透明导电薄膜在现代电子器件中有着广泛的应用。当沉积在玻璃、硅或聚合物基底上时，这些薄的导电薄膜可以导电。TCF被用作OLED和太阳能电池的电极，或者是手机触摸屏上的导电层。在TCF家族中，氧化铟锡(ITO)因其优异的透明度和电性能而成为行业标准。最近的材料，如氧化石墨烯(GO)或PEDOT，由于它们比ITO更容易弯曲，因此在柔性电子产品方面表现出色。

透明导电薄膜的制作
这些导电层的制图是一个非常重要的制造过程，它允许移除层的某些部分使其表面电学特性功能化，并根据应用在层上创建电路。与光刻相比，激光制图是一种很有前途的方法，因为它提供了定制图案化的灵活性，具有很高的工作量，同时减少了耗材和预处理步骤。当涉及到TCF的激光图案时，最大的挑战之一是有选择地去除薄膜而不影响底层衬底(玻璃，聚合物，硅等)的能力。根据沉积工艺或应用，也可以优选将TCF层去除基板上方(前处理)或穿过基板(后处理)，如图2所示。

图 1：透明导电膜层（TCFs）是所有触控屏技术的基础

 
图 2：透明导电膜层（TCFs）激光图案化的两种方式：正面加工与背面加工

薄膜的中红外选择性激光制图
为了克服这些挑战，Femtum开发了一种新的2.8µm的中红外脉冲光纤激光器，用于选择性去除不同衬底上的透明导电膜。

中红外脉冲激光器是薄膜制图的理想选择，因为大多数导电薄膜都是基于氧化物材料，在波长3µm左右强烈吸收。与紫外或近红外激光图案化相比，更容易选择性地去除这些薄层而不影响衬底，在这些中红外波长处具有更高的烧蚀阈值。

图3显示了一个使用Femtum Nano 2800在PET上使用正面和背面处理方法的ITO图案示例。

图 3：采用Femtum Nano 2800光纤激光器在PET基材上进行ITO加工：正面加工与背面加工均未对PET基材造成损伤

由于Femtum Nano 2800优异的光束质量，还可以实现小特征尺寸(约10μm)的精确图案，如图4所示。

图 4：在PET基材上实现精确的ITO图案化，特征尺寸达12µm

使用这种通用的，关键的工业光纤激光器在各种衬底上加工TCF的能力，如柔性聚合物(PET, PMMA，聚酰亚胺等)或其他中红外透明衬底(硅，锗)，实现了从柔性显示器到可穿戴传感器的广泛应用。

C. 半导体微加工

图：在锗上钻孔

D. 聚合物表面波导的激光刻写
PMMA和聚碳酸酯表面波导刻写工艺
PMMA和聚碳酸酯被验证以其做为基础的表面波导传感器的“无与伦比的灵敏度和精度”。这个过程需要激光波长和材料的吸收带相匹配，以改变材料表面的折射率，而不会造成额外的变形或基体燃烧。Femtum的UltraTune 3400是聚合物生物传感器加工的首选光源。使用2.8µm和3.4µm之间的波长可调光源，几乎可以在任何聚合物中高速制作波导。

 

E. 聚合物表面改性
聚合物的表面功能化可以改变它们的机械、热、光学和粘附性能，以及它们的亲水性与疏水性或生物相容性。使用Femtum激光器可以高速实现光滑的表面改性。

 
图：聚碳酸酯表面纹理和丙烯酸酯微透镜制造

中红外超快飞秒激光器科研领域应用

（1）UItratune 3400

Ultratune 3400可产生高平均功率(>500mW)和中红外波长(3µm至3.4µm)可调。全光纤结构确保了系统可靠性。如图所示，Femtum的控制软件可以在不到一秒的时间内将激光精确调谐到选定的中心波长。激光波长可在OH波段(3000nm)和CH波段(3300nm)内调谐，具有较高的稳定性和重复性。

 

Ultratune 3400为锁模激光源，可产生2800nm的飞秒脉冲。Femtum开发的集成反馈回路技术确保了飞秒状态下可靠的自启动运行，随时准备使用，没有预热时间，不需要外部调整。在选定的中心波长处，激光的功率谱密度可达>10dBm/nm，其信噪比和光谱特性在传感、显微镜和光谱学等应用中至关重要。

图 1：典型中红外光谱，其光谱带宽（FWHM）超过40nm

时间特征优异，在整个调谐范围内，自相关脉冲轨迹无基座，脉冲持续时间非常稳定，峰值功率>50kW，足以在中红外晶体或光纤中利用有效的非线性相互作用。

 
图 2：3200nm脉冲的典型自相关曲线，估算脉冲宽度为214飞秒

激光在3400nm的中心波长下工作时，24小时的平均功率测量结果。

 
图 3：3400nm波长下的长期平均功率测量，24小时运行期间平均功率的相对标准偏差约为0.25%

Ultratune 3400为全光纤结构，在整个调谐范围内保持单模特性，光束质量因子M2被评估为<1.3。它的光纤传输线缆和独特的光纤准直器便于在显微镜、扫描头、加工站或受限空间上传输激光，当激光波长变化时，没有任何光束指向误差。

（2）用于激光加工的稳定可靠的中红外光源Femtum Nano 2800



由于软玻璃纤维的进步和对独特和选择性材料加工应用的需求不断增加，中红外短脉冲光纤激光器已经从一项有前途的技术发展到制造业的主导地位。Femtum Nano 2800是氟化物光纤激光器在可靠性和性能方面成熟的标志，是第一款在2800nm附近产生纳秒级脉冲的中红外工业级光纤激光器产品，该波长是薄膜制图、生物组织烧蚀、聚合物表面变形和半导体微加工等非金属激光加工应用的重要波长。Nano 2800在短至30ns的近高斯脉冲下可产生>1W的平均功率，脉冲能量可达>100μJ。

 
图 1：Femtum Nano 2800的脉冲轮廓

生物组织或聚合物加工是最受关注的医疗方式之一，使用2.8µm激光波长位于液态水的高吸收，2.85µm的吸水率是10.6µm的15倍，从图2的液态水吸收光谱可以看出，在2.5μm到3μm的光谱带宽内，吸收深度变化很大。Femtum Nano 2800最大的优点之一是能够在2700nm到2850nm之间的水吸收峰附近选择中心波长，线宽为1nm或更小。

 
图 2：液态水的吸收光谱

A. 精密加工中的高脉冲稳定性
在大多数基于脉冲激光的精密材料加工应用中，脉冲序列的一致性是确保可重复性和提高工艺良率的最重要参数之一。例如在半导体制造过程中，脉冲稳定性与光束质量一同起到至关重要的作用。图3显示了来自Nano 2800的50μJ脉冲的时间稳定性。

图 3：a) 脉冲时间轮廓的热图视频；b) 5kHz的脉冲序列（使用带宽为25MHz的探测器采集）

B. 优越的结构成就了长期稳定性
Nano 2800的光学、机械和电气结构旨在增加系统整体稳定性，连续工作7天，产生30μJ脉冲，如下图4所示。激光器可以是自由空间输出，也可以光纤输出。

图 4：Femtum Nano 2800连续稳定运行7天

C. 交钥匙系统，控制简单

 

（3）典型应用

A. 中红外激光可被材料或分子选择性吸收
中红外波与大多数液体、气体和非金属(如塑料、玻璃或生物组织)的基本振动频率共振，从图中可以看出，水、甲烷、CO₂和聚合物的强吸收波段大多位于中红外波段，所以在环境气体监测和分析，显微镜、微创激光手术和非金属激光加工(切割、钻孔、表面处理等)等方面有重要应用。

图 1：典型分子与材料的吸收带分布

B. 中红外激光器可以在大气中远距离传输
中红外区还包含两个主要的大气透射窗口(3-5µm和8-12µm区域)，这些光谱窗口内的激光可以远距离传播，从而在防御(如导弹对抗)和自由空间通信中有多种应用。

 
图 2：大气在中红外波段具有较高的透过率

C. 中红外激光器是理想的科学工具
遥感应用
中红外覆盖了分子最重要的光谱特征，使该波段成为分子传感的理想指纹区域，并可以优化开发紧凑的片上传感器，用于环境监测，工业过程控制甚至医疗诊断。

图 3：典型痕量气体的光谱特征

非线性光学
硅和锗是强非线性材料，在中红外波段大部分是透明的，光子集成电路在中红外环境下，设计的无限灵活性可以显著增强四波混频、受激拉曼散射和布里渊散射等新型非线性效应。例如，紧凑的超连续光谱和光频梳已经被证明使用非线性PICs。当实验中使用近红外激光器(波长<2.2µm)时，这些非线性效应被波导中双光子吸收(TPA)导致的自由载流子吸收和色散所衰减，这时可以通过使用发射2.5µm以上的中红外激光器来解决。

图 4：紧凑型片上非线性微腔器件

集成光学的应用硅和锗的相对透射率，硅中有害双光子吸收(TPA)占主导地位的光谱区，Femtum激光器是中红外集成光子学的理想波段。

 

全光纤结构的3µm中红外激光器，秉承了光纤激光器的诸多优势，又以其具有特殊特性的波长，未来将在半导体制造、集成光学、光谱分子、医疗、精密加工以及基础科研领域发挥越来越重要的作用。

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参考文献
1. Hao Q, Zhu G S, Yang S, et al. Mid-infrared transmitter and receiver modules for free-space. optical communication [J]. Applied Optics, 2017, 56(8), 2260-2264.
2. Ren X Y, Dai H Li, D T, et al. Mid-infrared electro-ptic dual-comb spectroscopy with feedforward frequency stepping [J]. Optics Letters, 2020, 45(3), 776-779.