必要的思想交流有利于光学行业的发展

必要的思想交流有利于光学行业的发展

超快激光器的应用范围逐步扩大，它们对辅助器件的要求也越来越高，光学行业类似这样的标准将越来越严格，这一趋势正变得更加明显。

杂志编辑 玛丽 · 弗里博迪

高色散的反射镜，纳米结构的镀膜和自由曲面透镜是光学行业的先进技术，它们正不断被应用于新技术或新领域。但是有一个风险: 如果零部件制造商、系统开发商、集成商和终端用户之间合作不紧密严谨，技术和标准之间的不统一可能会阻碍未来的增长。

压缩光学

工业微加工、生物医学、光谱学和成像技术的低成本要求，推动了超快激光器的发展，这进一步推动了脉冲压缩光学的不断发展，例如超快高色散反射镜，这些最新研发的反射镜色散程度极低并且能承受高脉冲。

超快高色散反射镜可在越来越高的脉冲速率下工作，以供超快激光器的使用

Edmund光学公司(Edmund Optics inc.)首席技术营销工程师科里•布恩(Cory Boone)表示，美国西部光电展每年参会的超快激光器和零部件供应商越来越多。关于超快激光器，他说: “它们的脉冲持续时间短、峰值功率高，这使得它们可用于精密激光微加工、医学等。”

 超快激光脉冲烧蚀技术不是将加工材料熔化，它使热损伤最小化，这种技术十分适用于精密制造和生物医学。但是，短脉冲会在光学介质中产生大量色散，这使得脉冲压缩光学技术成为超快激光系统中的一个关键部分。

虽然啁啾镜是超快压缩光学系统的标准器件，但是现在它们已经被高色散的反射镜取代了，目前这些反射镜被认为是压缩光学技术的尖端技术。这种新型涂层具有高幅度的负延迟色散(GDD)，可以平衡大多数光学介质中的正色散。

纳米结构技术不是在元件上沉积涂层材料，它将亚波长结构直接刻蚀到光学镜片表面，这使得镜片传输的光波段更宽，且提高了镜片的激光损伤阈值。图片来源: Edmund Optics

高色散反射镜比Gires-Tournois 干涉仪(GTI)反射镜技术更先进，后者利用共振提供与角度相关的负GDD，用于超快激光器的腔内色散控制。GTI 反射镜的缺点是它们在非常有限的带宽内提供负的 GDD， 并导致高阶色散。

然而，高色散反射镜提供更大的带宽和更少的高阶色散。诸如Edmund Optics之类的光学制造商旨在利用该技术来帮助终端用户最大程度地减少超快激光系统中的色散，并实现更高的性能。

随着微型光学需求的增长，制造商正在寻找新的形状，设计和材料，以在更小的体积内实现同样或更好的性能。图片由 Optimax 提供

精确测量自由曲面光学元件是关键。Asphericon是第一批投资公司之一，他们投资的软件可以帮助客户找到合适的光学配件。图片由Asphericon提供

TRUMPF Laser 的GmbH + Co. KG持有相同观点，并认为这些反射镜推动了超快激光器可寻址参数范围内的进步。这些进步提高了高功率、高能量锁模振荡器以及使用非线性频谱展宽方法的外部脉冲压缩技术的可行性。

TRUMPF 激光器开发部门负责人亚历山大•基利( Alexander Killi)表示: “当然，这还有改进的空间。也就是说，这种反射镜的损伤阈值和吸收都不如简单的四分之一波叠堆。此外，现在一个组件或不同组件上的色散的变化特性还需要进一步改进。

关键膜层

利用波长相关穿透和共振效应压缩脉冲的制成的特殊膜层，提高了现有脉冲压缩光学系统的性能，这些膜层使高色散的反射镜用途变得更加广泛。

一般来说，光在不同材料中的穿透深度与波长有关。传统的啁啾反射镜通过增加镀膜厚度产生负的GDD，因为入射脉冲激光会穿透涂层。这种方法与传统的布拉格镜结构不同。相反，逐渐改变膜层厚度以让较短的波长以比长波长小的穿透深度行进。这允许更长的波长从根本上“超越”短波长，并经历更大的群延迟。

但是，以这种方式将激光脉冲挤压在一起，每个脉冲的延迟量都会产生变化，从而引发额外的波动。

Boone说： “不同厚度膜层之间的突然切换，导致GDD 振荡随波长变化。高色散反射镜通过将类似的依赖于波长的穿透与称为多GTI的多共振效应相结合，避免了这些振荡。

 对于同一波长入射光，保持相同的穿透量可以减少不必要的振荡，从而产生更多的脉冲压缩、更低的损耗和更宽的带宽，同时最小化 GDD 振荡。

膜层技术的进步对于继续采用以连续波发射的高功率激光器是至关重要的积极作用的。这些光源在工业制造、科学研究、甚至武器系统应用方面的需求日益增长，光学膜层对于提高性能和延长激光寿命都有重要作用。

Optimax Systems Inc公司技术与战略总监杰西卡•德格鲁特•尼尔森(Jessica DeGroote Nelson)表示: “在高功率连续波光学领域，光学元件的各个方面都很重要。”光学元件必须保证低的总损耗，使散射加吸收在百万分之一的范围内；并且当考虑表面位置不规则时，它们的总误差必须要低。而且镜面膜层的应力必须要低。”

行业标准

在高功率激光系统中，单个器件需要承受极高的强度而不被损坏。虽然保护性膜层对其有所保护，但整个行业面临的一个更为紧迫的挑战是，如何制定测试和评估激光束造成的损害的标准。

目前，ISO 21254将激光引起的损伤定义为，可以通过检验技术观察到的由激光辐射引起的试样表面或主体特征的永久性变化。

但是这个模糊的、不确定的定义，使得系统集成商和元件制造商几乎没有信息来帮助他们比较元件，并为特定的应用选择合适的光学元件。

由于有大量的光学元件可用，很难确定激光系统内部的损伤及其对性能和后续应用的影响。这项任务非常棘手，它可能会成为许多产品商业化的主要障碍。

弥合行业标准中的分歧需要更多的跨部门合作，这对超快激光器及其相关组件和膜层的发展趋势至关重要。

DeGroote Nelson表示：“整个行业都需要开发标准化的激光损伤测试协议，以更好地理解连续波大功率激光损伤的激光损伤机理，并将其与使用性能相关联。这是组件供应商，系统设计师，集成商和终端用户合作推动行业发展的机会。”

Edmund Optics公司的Boone同意这一说法，由于缺乏激光诱导损伤阈值（LIDT）的标准化规范，对于实际需要的LIDT值仍存在不确定性。随着高功率激光器越来越多被采用，这种不确定性正成为一个更大的问题。

与传统的同轴球面或非球面设计相比，自由曲面光学器件使光学设计人员能够创建离轴，重量轻且更紧凑的系统，从而为AR / VR和小型太空卫星（上图）打开了应用之门。在医疗头戴式显示器（底部），汽车平视显示器和机器视觉系统中可以找到一些最新的自由曲面光学器件。

LIDT高度依赖于波长和其他使用参数，但是典型的薄膜减反射（AR）v涂层在532 nm波长下的 LIDT 值约为20j/cm2，脉冲为5ns，重复频率为100hz。

Boone 说：“一些高端膜层制造商指定的 LIDT 值要高得多，但是，同样，在 LIDT 的测试和指定方式上缺乏统一标准。”

纳米结构与薄膜

薄膜膜层适用于光学行业的大多数领域——具有保护、增强性能、滤波等作用。但是，许多光学制造商正在研究避免其它解决方案以避免使用薄膜。

其中一种方法采用了纳米结构， Edmund Optics在其Nebular AR表面中使用了纳米结构。利用此技术的器件的通过将亚波长结构蚀刻到表面，而不是通过在元件上沉积涂层材料来制成，最终带来的增益是高宽带传输和LIDT的改进。

当发生激光损坏事件时，它会将亚波长表面结构熔化使其回到大块状材料中。因此，这种损坏是局部的，不会像薄膜中那样进一步传播引起大面积损伤。

Edmund Optics报告说，其Nebular技术在波长532nm、脉冲频率5.6纳秒、重复频率100Hz的情况下，LIDT值可超过40 j/cm2，这远远高于大多数薄膜膜层的宣称值。

“通过Nebular技术，我们希望终端用户能够提高激光系统的吞吐量，并降低激光造成损坏的风险，” Boone说。

TRUMPF公司的Killi认为，纳米结构表面技术在带宽和损伤阈值方面的价格更低，性能更高，它对AR光学镀膜的影响最大。

小型化迫在眉睫

光学器件小型化吸引了行业内的大量技术和金融投资，尤其是它试图应用于消费电子、医疗设备和其他一些行业。

随着光学器件的缩小，制造商正在寻求最新的形状，设计和材料，以使元件体积更小但能提供相同或更好的性能。该领域的领跑者是非球面透镜，最近又出现了自由曲面透镜。

一些最新的自由曲面透镜已应用于摄像机的传感器系统、汽车平视显示器、医疗平视显示器和机器视觉系统。

Optimax的DeGroote Nelson表示：“ AR / VR和小型太空卫星等应用正在朝着系统更加紧凑的方向发展，但其必须具有相等或更高的精度性能。与传统的同轴球面或非球面设计相比，自由曲面透镜使光学设计人员能够创建离轴，重量更轻，更紧凑的系统。”

就像测试光学器件的激光损伤是一项挑战一样，精确测量自由曲面透镜也需要整个行业内相互协作探究。

DeGroote Nelson说：“利用干涉测量未知自由曲面的自由曲面计量学需要进一步研究发展。设计师和制造商之间需要进一步合作，以继续推动自由曲面透镜的设计/制造空间的极限。”

为了满足这种对最佳性能的需求，以及降低成本，开发了新的软件用于为客户找到合适的配合光学器件，asphericon GmbH 是首批投资于这类软件的公司之一。

“我们早在“工业4.0”一词出现之前就已经能够使用完全数字化的生产环境，” asphericon首席执行官Sven R. Kiontke说。“例如，机器操作员不需要手动传输数据，或输入到机器上，测量结果将以数字方式记录并存储到专门的客户项目中。”

通过分析生产数据，公司不仅可以确定设计是否可以被制造，还可以确定是否可以通过替代设计使生产更快或更有效。

Kiontke说：“ asphericon的数字化世界帮助我们大大地缩短了生产过程，并节省了成本。最终，将自由曲面的设计与自由曲面透镜生产进行协调至关重要。如果设计很好但无法生产或需要耗费很高的成本，那这个设计有什么用？”

 镜片的设计和生产过程的关联和协调性变得越来越明显。随着非球面镜片价格降低，非球面镜片正成为各种光学系统的首要选择。

此外，现在自由曲面透镜的加工质量与非球面持平，并且自由曲面透镜具有包装尺寸小且不损害成像质量的其它优势。

但是光学器件制造商根据客户需求来制定发展方向，另外大多数系统集成商不了解自由曲面的光学器件能够解决哪些问题。

Asphericon公司提倡光学行业内开发应更具协作性，即行业中所有参与者应该做合作伙伴，而不是对手。

Kiontke表示：“在良好的商业关系中，关键是要知道向谁求助，该信任谁。不同的思维方式，以及可能相互关联的技能或技术会带来新的想法。通过这种方式，我们获得的产品就不是简单地深思熟虑，而是经过彻底地重新思索研究的。”

Photonics Spectra

2021年1月