导语

研发、检测或加工过程中，你是否常常因为脉冲太长、功率不足而导致实验结果不理想、加工精度下降？别担心，超快激光（飞秒‑皮秒级）正是为了解决这些瓶颈而诞生的——它凭借极短的脉冲和极高的峰值功率，让我们得以直接“看到”分子振动、电子迁移甚至量子效应。本文将用通俗易懂的语言，快速梳理超快激光的独特特性、技术挑战及常用压缩手段，帮助你判断是否需要超快激光系统，并快速选型合适的光学元件。

一、超快激光的独特特性

图1: 支持10ps(绿色)、500fs(蓝色)和50fs(红色)激光脉冲所需的最小光谱带宽。

图2: 激光的平均功率 P 和峰值功率, P 与脉冲持续时间 t的关系示意图。

二、技术挑战与对应解决思路

1.激光损伤阈值(LDT)

• 挑战：与纳秒激光（LDT≈5‑10 J/cm²）相比，超快激光的 LDT 仅为不到 1 J/cm²，原因是脉冲极短，导致非线性多光子吸收和离子化成为主要损伤机制。

图3: 激光引起的光学元件表面损伤，如图此处显示的损伤，可能会降低激光系统的性能，导致系统失效，甚至引发危险。由于超快激光器的脉冲持续时间极短，超快激光器的损伤机制与长脉冲激光器存在显著差异。

• 解决思路：

• 选用专为超快激光设计、在相同波长、脉宽、重复频率下测试过的光学元件。

• 对关键元件（如高反镜、分束镜）使用高LDT认证的涂层，以防止在高峰功率下出现局部熔化或损伤。

图4: 不同脉冲持续时间下激光引起损伤的机制。

2.色散与脉冲展宽——群延迟色散(GDD)

• 挑战：透镜、窗口、空气等介质会引入正GDD，导致脉冲在传播过程中被拉长。举例：10 mm N‑BK7 在 800 nm 处会把 50 fs 脉冲拉长约 12%。

• 理论公式：

该式说明，输入脉冲越短，同等GDD的影响越显著。

• 解决思路：

优先使用低GDD材料（如 fused silica），其在可见‑近红外波段的 GDD 极低。

采用专用超快光学（低色散镜片、空心光纤、超低散射窗口），最大限度降低系统累计 GDD。

3.脉冲压缩需求判定

• 指征：

成像模糊（多光子显微、生物活体成像）——脉冲被拉长导致非线性信号下降。

加工精度下降（激光微加工、蚀刻）——脉冲拉长削弱材料的非线性阈值，导致切口宽度增大。

• 判定方法：

计算系统中所有光学元件的累计 GDD（每块元件的 GDD 可从材料数据库查询）。

若累计 GDD 使原本的 10 fs 脉冲被拉伸至 > 150 fs，则必须进行脉冲压缩。

三、脉冲压缩技术全景速览

• 科研实验：先用棱镜或光栅压缩器进行粗调，然后配合一两块高色散镜细调，可在不大幅增加成本的前提下实现亚10 fs 的脉冲。

• 工业生产：若对系统稳定性、调校时间要求极高，建议直接采购预压缩的完整光学套件（包含低 GDD 镜片、专用压缩镜），省去调试环节。

图6: 棱镜和光栅压缩器。

四、选型小贴士——如何挑到合适的超快光学？

1.明确脉冲参数

• 中心波长、脉宽、重复频率、平均功率、峰值功率。

2.匹配激光损伤阈值

• 选用在相同波长、脉宽、重复率下测试过的光学元件，确保 LDT ≥ 系统峰功率。

3.累计GDD评估

• 使用材料数据库（如 refractiveindex.info）查询每块元件的 GDD，累计后与容忍阈值比较。

4.材料优先级

• Fused silica：在可见‑近红外波段 GDD 最低，是首选材料。

• 低色散镜片、空心光纤：如果光路中必须加入透镜，优先考虑这些低 GDD 选项。

5.压缩器配置

• 若累计 GDD > 500 fs²，建议配置棱镜+高色散镜或 光栅+DM组合；若系统对极短脉冲（≤ 10 fs）敏感，务必使用高色散镜以控制高阶色散。

温馨提示：在实际安装前，可先用光学仿真软件（如 Zemax、Lumerical）模拟光路的色散与功率分布，提前发现潜在瓶颈。

结语&行动号召

超快激光以飞秒脉冲+千兆瓦峰功率打开了科研与高精度加工的新大门，同时也带来了光学损伤、色散展开等技术挑战。只要精准评估脉冲需求、合理选型光学元件、必要时进行脉冲压缩，就能让你的实验或生产线跑得更快、更稳。