超快激光光学：光速精度

发表于：

2026 年 4 月 10 日

最后编辑：

2026 年 4 月 22 日

超快激光技术已从一项小众的学术研究发展成为现代光子学中最具商业价值的领域之一。这场革命的核心在于一个看似简单的概念：当你将激光脉冲压缩到极短的飞秒（即千万亿分之一秒）时，会发生什么？答案令人惊叹。你将获得足以加工最坚硬材料而不产生热量、切割人体组织而不灼伤它、以及驱动产生全新波长的非线性光学过程的峰值功率。

超快激光器，包括皮秒和飞秒系统，已成为从半导体制造、消费电子到眼科、美容和尖端科学研究等各个行业不可或缺的工具。然而，每个超快激光系统背后都隐藏着一条同样精密复杂的超快激光光学系统链，每个组件都经过精心设计，其精度之高在其他任何领域都堪称过剩。在超快激光领域，即使是几毫米厚的普通玻璃也可能导致脉冲损坏。吸收率稍高的镀膜就可能引发灾难性的激光损伤。表面平整度不足的反射镜会降低光束质量，并损害超快激光光学系统赖以生存的精度。

这就是我们所处的世界 Wavelength Opto-Electronic 新加坡身处一个精度并非可有可无，而是必不可少的世界。我们设计并供应超快激光光学元件，满足业内最严苛的要求。我们拥有十余年的精密制造经验，以及涵盖从基材到最终检验所有环节的垂直整合生产能力。

1. 超快激光光学器件有何不同之处？

要理解为什么超快激光光学是一个如此专业且技术要求如此高的领域，了解这些系统与传统激光光学的区别会有所帮助。

在标准的纳秒或连续波激光系统中，光学元件的要求相对较低。镀膜需要在合适的波长下具有反射或透射特性，表面需要足够光滑以避免散射，损伤阈值需要满足相应的功率水平。这些要求虽然并非微不足道，但已被充分理解，并且通常可以通过标准制造工艺实现。

超快激光光学器件的工作机制与纳秒激光截然不同。超快激光产生的脉冲极短，从几十飞秒到几百皮秒不等，因此每个脉冲的峰值功率比平均功率高出几个数量级。例如，一台平均功率仅为1瓦，但重复频率为1赫兹，脉冲宽度为50飞秒的激光器，其产生的峰值强度足以瞬间摧毁未经特殊设计的光学表面。尽管超快脉冲的峰值功率密度比纳秒激光高出两到三个数量级，但其激光损伤阈值（LIDT）通常只有纳秒激光的十分之一到二十分之一。这给所有超快激光光学元件的镀膜质量、基底纯度和表面光洁度都提出了极高的要求。

此外，色散也是一个至关重要的问题。所有透明光学材料，无论是玻璃、晶体，甚至是空气，都会导致不同波长的光以略微不同的速度传播。对于纳秒脉冲而言，这种效应完全可以忽略不计。但对于超快脉冲而言，它却是灾难性的。一个在激光输出端初始脉冲宽度为50飞秒的脉冲，在穿过几毫米厚的标准光学玻璃后，脉冲宽度可能会展宽至数百飞秒。这种脉冲展宽会降低峰值功率，降低聚焦质量，并可能使超快激光光学器件在精密应用中几乎无法使用。因此，通过精心选择材料、设计镀膜和使用专用光学元件来控制色散，是超快激光光学器件的核心挑战之一，也是我们在所有设计和制造过程中都极其重视的问题。

除了损伤阈值和色散之外，超快激光光学元件还必须满足极高的表面形貌精度、表面质量、波前误差和镀膜均匀性标准。在高功率超快系统中，即使光学表面上的微小缺陷也会引入相位畸变，这些畸变会在多个组件上累积，从而降低整个系统赖以生存的光束质量。正因如此，超快激光光学元件的规格要求在整个光学行业中最为严格，而经验和对精密制造基础设施的投资在这个领域也至关重要。

2. 光学元件在超快激光系统中的关键作用

一套完整的超快激光系统由多个功能模块组成，每个模块都对超快激光光学元件提出独特的要求。了解这些要求对于理解为该市场制造和供应组件所需的条件至关重要，也解释了为什么我们投入巨资提升相关能力以确保产品质量。

作为激光器种子源的振荡器模块通常采用增益晶体，例如钛蓝宝石晶体或掺镱晶体（包括Yb:YAG、Yb:KGW和Yb:KYW），或掺镱光纤。振荡器腔内的反射镜必须同时具备99.5%以上的反射率、超低群延迟色散(GDD)和高损伤阈值。输出耦合器必须与增益介质和腔体设计精确匹配。腔内的波片需要具备相位精度、宽工作带宽和零阶结构，以最大限度地减少色散对循环脉冲的影响。

色散管理和脉冲压缩由超快激光光学器件实现，包括啁啾镜、光栅对和棱镜对。啁啾镜是一种特别巧妙的解决方案，它是一种多层介质镀膜，其穿透深度随波长变化，从而引入可控的负色散，以补偿系统中其他位置累积的正色散。此处的性能指标要求很高：为了防止脉冲展宽，绝对群色散密度（GDD）通常必须在宽波长范围内保持在 20 至 50 fs² 以下。光栅对和棱镜对提供可调谐的色散补偿，广泛应用于啁啾脉冲放大（CPA）系统中，其中脉冲在放大前被有意拉伸，然后在放大后重新压缩至其原始脉冲宽度。

在脉冲放大（CPA）系统中，放大器模块用于将脉冲能量提升几个数量级，这对超快激光光学器件提出了更高的要求。放大器中的增益晶体必须能够承受高平均功率，同时保持优异的散热性能。泵浦耦合透镜必须具备高透射率、高损伤阈值和精确的数值孔径匹配。光隔离器可以防止反向反射破坏种子振荡器的稳定性。放大链中的每个组件都必须根据整个系统的具体情况进行选择和规格制定。

超快激光系统中的光束传输和聚焦组件必须保持远超常规标准的表面形貌精度。对于谐振腔高反射镜和色散镜等关键组件，峰谷表面形貌的标准为λ/10至λ/20，均方根值（RMS）需达到λ/100或更低。对于高功率或窄脉冲系统，有时甚至需要更严格的精度要求。同时，表面粗糙度和亚表面损伤也必须得到严格控制，因为在超快激光系统极高的峰值强度下，它们都可能成为激光诱导损伤的成核点。

非线性光学晶体，包括BBO、LBO、KTP和MgO:LN，可通过二次谐波产生（SHG）、三次谐波产生（THG）和光参量振荡（OPO）等过程实现波长转换。这些器件必须满足严苛的相位匹配要求，具有高非线性系数，并能承受远超传统损伤阈值的峰值强度。非线性晶体的选择和质量是决定转换效率和系统可靠性的关键因素。

3.我们是谁： Wavelength Opto-Electronic 新加坡

我们在 Wavelength Opto-Electronic 新加坡已建立起一套全面的垂直整合能力，能够提供精准超高速的零部件。激光光学从原材料加工到最终成品涂层检验和交付。我们的方法建立在三大支柱之上：先进的基板制造、精密IBS光学镀膜和严格的计量。

3.1 材料选择和基材加工

基底材料是所有精密超快激光光学元件的基础。对于超快激光应用，材料的选择主要取决于系统的工作波长和色散要求。对于可见光和近红外波段（钛蓝宝石和镱基超快激光器最常用的波长范围），我们首选N-BK7玻璃和熔融石英。熔融石英因其低色散、从紫外到近红外波段的高透射率以及优异的抗激光损伤性能，在超快激光光学领域备受青睐。对于紫外和红外应用，我们则选用CaF2或MgF2，因为它们具有宽广的透射范围和低吸收特性。

我们的先进光学制造中心拥有十余年的精密超快激光光学加工经验，并将这些经验应用于我们生产的每一个组件。我们采用磁流变抛光 (MRF) 和离子束加工 (IBF) 等先进技术，对基板进行切割、倒角、研磨、抛光和检测等加工。特别是磁流变抛光 (MRF) 技术，它是一项变革性的超快激光光学技术，能够实现确定性的子孔径抛光，从而将表面形貌误差校正到传统抛光工艺无法达到的精度。最终产品直径范围从 10 毫米到 1,000 毫米，表面形貌精度在 632.8 纳米波长下可达 λ/30，表面质量可达 20-10 划痕-凹坑。我们加工的材料范围广泛，包括玻璃、熔融石英、氟化物、晶体和有色金属，表面类型涵盖平面、球面、非球面、自由曲面和衍射面。

3.2 离子束溅射镀膜

用于超快激光光学器件的镀膜并非普通的薄膜。它们必须同时满足高反射率或高透射率、超低吸收率、最小群延迟色散、宽带光谱匹配以及出色的机械和环境稳定性。标准的蒸发镀膜工艺无法可靠地同时满足所有这些要求。我们通过离子束溅射 (IBS) 来实现这些目标。IBS 是一种精密沉积工艺，它利用高能离子将镀膜材料从靶材溅射到旋转的基板上，从而制备出致密、耐用且高度可控的光学镀膜，专为超快激光应用而设计。

IBS技术在超快激光光学器件领域具有显著优势。该沉积过程的高能量可制备出低孔隙率、低吸收率和高堆积密度的薄膜，这些特性均有助于提高激光损伤阈值（LIDT）和长期稳定性。对沉积速率和层厚的精确控制使得对镀膜光谱和色散特性的精确调控成为可能，这对于低群延迟色散（GDD）反射镜和啁啾反射镜至关重要，因为在这些应用中，镀膜本身就是色散补偿机制。

我们采用专为超快激光光学器件配置的IBS镀膜设备。我们的低群延迟色散（GDD）反射镜反射率超过99%，绝对GDD小于30 fs²，是超快激光脉冲的理想选择。我们的高反射率（HR）镀膜的激光损伤阈值（LIDT）在800 nm、50 fs、1 Hz波长下达到或超过0.4至0.6 J/cm²的行业标准。我们使用的镀膜材料包括SiO₂、HfO₂、Al₂O₃和MgF₂，这些材料因其宽带隙和在超快激光波长下相应的低吸收而被选中。

3.3 计量与检测

我们坚信，无法测量的精度也无法保证。我们的计量实验室配备了一系列仪器，能够对超快激光光学元件进行全面表征，满足最严苛的规格要求。我们的LuphoScan轮廓仪可对非球面和自由曲面进行精确的非接触式测量。我们的白光干涉仪可实现亚纳米级的表面粗糙度测量。我们的分光光度计能够全面表征镀膜的透射率和反射率随波长的变化。我们的蔡司坐标测量机（CMM）确保生产过程中每个环节的尺寸精度。

我们标准精度为 633 nm 波长下 λ/10，适用于直径达 100 mm 的球面和平面超快激光光学元件；对于要求最苛刻的应用，精度可达 λ/30。我们交付的每一个超快激光光学元件都经过全面表征和文档记录，因此客户可以放心地将我们的光学元件集成到他们的系统中。

4. 我们的超快激光光学产品系列

超快激光光学：光速精度 7 — Wavelength Opto-Electronic 超快激光光学

我们的产品组合涵盖了超快激光系统各个阶段所需的关键光学元件，从振荡器到输出。

我们的低群延迟色散镜专为倍频超快Yb和Nd激光系统设计，支持脉冲宽度小于250 fs的激光脉冲。这些超快激光光学元件在45度入射角下工作，在460至590 nm波长范围内反射率可达99%以上，且在整个设计带宽内群延迟色散(GDD)低于30 fs²。该系列产品提供1/2英寸和1英寸两种直径规格，采用熔融石英基板制造，在632.8 nm波长处表面形貌为λ/10，表面质量为20-10。

我们的啁啾镜是我们超快激光光学产品组合的核心，专为超短脉冲激光系统中的群延迟色散 (GDD) 补偿而设计，可校正脉冲穿过光学元件时产生的脉冲展宽。这些啁啾镜在 650 至 1,050 nm 波段的绝对反射率超过 99.5%，在 500 至 1,000 nm 波段的 GDD 补偿可达 -40 fs²，适用于光谱带宽大于 50 nm FWHM 的脉冲。啁啾镜可置于色散元件之前或之后，从而实现群延迟色散的预补偿或后补偿，为客户的超快激光系统设计提供更大的灵活性。

我们的超快宽带分束器设计用于45度入射角的P偏振光，在600至1,500纳米波长范围内提供20:80、50:50、80:20和90:10（R:T）的光谱比，使其兼容钛蓝宝石和镱超快激光系统。在800纳米波长、50飞秒脉冲宽度和1赫兹脉冲频率下，其激光损伤阈值（LIDT）为0.18焦耳/平方厘米，即使在最严苛的超快激光条件下也能可靠运行。

针对工业扫描应用，我们的F-Theta 超快激光透镜被设计为用于超快激光打标、雕刻和切割的振镜扫描系统的标准聚焦元件。该系列透镜提供多种配置，适用于扫描范围从 45 mm x 45 mm 到 400 mm x 400 mm 的 343 nm 紫外超快激光系统。与标准透镜 50% 或更低的聚焦光斑圆度相比，我们的透镜在 350 fs 的扫描速度下可实现 92% 或更高的聚焦光斑圆度。这种性能差异直接转化为超快激光生产环境中更高的加工质量、边缘清晰度和重复性。

我们还供应高激光损伤阈值（LIDT）透镜，其透射范围为0.13 μm至9 μm，在800 nm波长、50 fs脉冲宽度、1 Hz频率下，LIDT为0.8至1.5 J/cm²，透射率大于95%。我们的高LIDT激光保护窗口平均透射率大于99.9%，直径范围从10 mm到300 mm，基底材料包括N-BK7、熔融石英、H-K9L和ZnSe。这两款产品均根据超快激光系统的特定要求设计和测试，并非由通用光学元件改造而来。

5. 我们的超快激光光学技术如何发挥作用

衡量任何超快激光光学元件的最终标准是其在应用中的性能。我们的超快激光光学元件已在全球范围内广泛应用于依赖这项技术的各个行业。

在工业精密制造领域，超快激光器已成为OLED和LCD玻璃切割、蓝宝石和陶瓷盖板玻璃钻孔、PCB过孔钻孔、精密金属框架切割以及超薄铜箔蚀刻等工艺的首选工具。超快激光加工的冷烧蚀特性（即在热量扩散到周围区域之前去除材料）对超快激光光学元件提出了极高的表面精度要求，并要求其配备能够维持数百万小时稳定输出的长寿命镀膜系统。我们精心设计组件，以满足这些特定需求，确保系统在整个使用寿命期间始终保持稳定的光束质量和可靠的性能。

在半导体和新能源应用领域，超快激光加工技术能够显著提高晶圆切割和划线的良率，并实现直接激光写入、芯片封装和硅通孔 (TSV) 蚀刻。锂电池极耳和电极的精密切割和焊接，以及光伏电池中的激光薄膜去除和掺杂等应用已日趋成熟。对于脆性、热敏性和超薄复合材料而言，其要求非常明确：无裂纹、无毛刺、无变色、无碳化。我们研发的低色散、高损伤阈值超快激光光学器件正是实现无裂纹、无毛刺、热洁净加工的关键技术，并可应用于大规模生产。

在医疗和美容应用领域，超快激光可用于LASIK手术中的无刀角膜切口、包括色素沉着和纹身去除在内的皮肤美容治疗，以及血管支架、微流控芯片和介入导管的精密激光加工。这些应用要求超快激光光学器件具备最小的波前像差、稳定的聚焦特性、非偏振特性以及在医疗器械整个使用寿命期间保持稳定的镀膜系统。在医疗领域，安全性、可重复性和长期可靠性至关重要，而我们的超快激光光学器件正是为此而设计的。