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多光子显微镜用飞秒激光器

上海星谱科技有限公司校译   021-80102555     info@star-spectrum.com

多光子显微镜技术的突破            

多光子显微镜无需染料或标签即可进行3D高分辨率成像，彻底改变了生物成像。这项技术的一个重要方面是使用非常短的飞秒脉冲。这些脉冲的使用有几个优点，使多光子显微镜成为研究生物样品是有价值的工具。

1. 多光子显微镜使用飞秒脉冲减少了对样品的光损伤。短脉冲最大限度地减少了曝光时间，减少了在成像过程中发生的光损伤量。这在活体样本的研究中尤为重要，因为它允许研究人员在不影响样本活力的情况下获得高分辨率图像。

肺组织的多光子显微镜图像。阿姆斯特丹大学Groot Vrije教授有限公司

2. 使用飞秒脉冲提高了双光子荧光的效率。这些脉冲的高峰值功率增强了非线性相互作用，从而提高了荧光效率。这使得研究人员可以用更少的光子获得高分辨率的图像，减少了对高激光功率的需求，并最大限度地减少了光损伤。

3. 此外，飞秒脉冲在多光子显微镜中提供了改进的空间分辨率。脉冲持续时间短，峰值功率高，可实现3D高分辨率成像，使研究人员能够在细胞和亚细胞水平上研究样品。

超短脉冲持续时间的优势:低于50fs

由于多光子激发的效率很大程度上取决于脉冲期间入射光的峰值功率，因此脉冲越短，峰值功率越高，产生的多光子信号就越强。到目前为止，产生低于80fs极限的超短洁净脉冲的能力相对有限。

VALO fs激光系列提供了一种新的方法来克服这一限制，产生更短(低于50秒)和洁净的脉冲。图1显示了双光子和三光子效率与脉冲持续时间的关系[1,2]。多光子事件的效率与激光峰值功率呈非线性关系，对于两个和三个光子过程，相应的信号分别随入射光峰值功率的平方和立方而增加。例如，将脉冲持续时间从200秒减少到50秒，峰值功率增加4倍，双光子效率增加4倍，而三光子效率增加16倍。

图1:二光子和三光子效率与脉冲持续时间的关系

然而，为了在实验中应用这种关系，必须准确地确定样品中的脉冲持续时间。如果显微镜中的光学色散没有得到适当的补偿，脉冲将被拉伸，并且在样品上测量到较低的峰值功率。在这种情况下，脉冲持续时间与高次谐波产生效率之间的关系，无法通过实验精确验证。为了产生足够的非线性SHG和THG信号，在对样品温和的平均功率水平下实现所需的信噪比，必须使用低于50 fs的脉冲和色散预补偿。

图2a)显示了样品在VALO fs系列激光器的全带宽下，使用平均功率为4.7 mW的校准网格产生的三次谐波信号，产生~40 fs脉冲。在图2b)中，激光的光谱带宽被限制在10nm的FWHM，在1064 nm左右，产生~160 fs的脉冲。图2a)和图2b)的图像比例相同，但图2b)没有THG信号。只有将较长的~160 fs脉冲中的较低THG信号重新缩放后，才有可能获得高于实验噪声底限的图像，如图2c所示。在这种情况下，需要提高2.5倍的平均激光功率才能获得与更短的低于50 fs脉冲获得的THG信号相当的信噪比[3]。

图2:带有50微米正方形的校准网格(Ibidi)的三次谐波。a) 4.7 mW，全谱短脉冲(<50 fs);VALO系列)。b) 6 mW，激光光谱限制在10 nm带宽(~160 fs)。c)将6mw激光光谱限制在10 nm带宽(~160 fs)下的对比度放大。

总之，在多光子显微镜中使用极短飞秒脉冲有几个优点，包括减少光损伤，提高效率，提高空间分辨率，减少背景信号。特别是，超短的低于50秒的脉冲提供了相当高的脉冲峰值功率，这使最佳的信噪比图像只需低得多的平均功率，这反过来减少光漂白，并延长细胞活力。这些优点使多光子显微镜成为研究生物样品的一种有价值的工具，使研究人员能够获得高分辨率。

参考文献：

[1] Shuo Tang, Tatiana Krasieva, Zhongping Chen, Gabriel Tempea, Bruce Tromberg (2006), Effect of pulse duration on two-photon excited fluorescence and second harmonic generation in nonlinear optical microscopy, Journal of Biomedical Optics, 11(2).

[2] Mira Sibai, Hussein Mehidine, Fanny Poulon, Ali Ibrahim, M. Juchaux, J. Pallud, A. Kudlinski,  Darine Haidar (2018), The Impact of Compressed Femtosecond Laser Pulse Durations on Neuronal Tissue Used for Two-Photon Excitation Through an Endoscope, Scientific Reports, 8:11124.

[3] White paper, Sub 50 femtosecond pulse lasers for gentler multiphoton microscopy, HÜBNER Photonics. In publication Feb 2023.

白光全息成像的终极激光器

Elizabeth Illy and Hans Bjelkhagen 翻译：杨兵兵 上海星谱科技有限公司  010-83503853 info@star-spectrum.com   1971年，丹尼斯·加博奖被授予丹尼斯·加博奖，以表彰他“发明和发展了全息方法”。这是因为他在20世纪40年代所做的工作，早在激光器被发明之前。自1960年激光发明以来，全息术作为一种记录方法，在后来的几年里作为一种艺术形式腾飞。尤其是在过去的5-10年里，随着低成本单纵模激光器的出现，新一代的感光乳胶和波长可选照明光源的应用。随着这三个因素的结合， “白光”全息摄影复苏，实现了从安全到存档的应用。

白光全息摄影

在单色全息摄影中，使用单一激光器来曝光物体并书写全息图。理想的情况下，使用单一的颜色来照亮全息图，以重新创建物体。在现实中，全息图往往被白炽灯光源曝光，通常使全息图不清晰，而且只有单一的颜色。相比之下，在白光全息摄影中，通常使用3种颜色（最多5种）为蓝色、绿色和红色。结合新的感光乳胶，以及波长定制的激光光源可以用来照亮全息图，以实现最大的清晰度和逼真的复制，白光全息摄影引起了大家强烈的兴趣。

图1：典型的白光全息设置

正如预期的那样，这种详细的复制品可以作为一种安全的方式记录高价值商品，因此在证券市场即银行和制药得到了应用。除了安全市场之外，文物存档的应用也是一个日益增长的领域。那些太古老而无法运输或太珍贵而不能离开博物馆的文物，现在可以用白光全息图重新制作，全息图也可以被“继续参观”。在这种情况下，一个便携式全息系统被带往现场进行复制记录。

图2：(L)希腊全息研究所开发的一个叫做ZZZZyclops的便携式全息系统，(R)用ZZZZpyclops记录的全息图。

全息激光器

激光器的性能特性对于写出清晰、高分辨率的白光全息图至关重要，这些性能特性包括：波长、相干长度和波长稳定性。根据希望复制的全息图有哪些颜色，来选择写入全息图需要哪些波长(457nm，473nm，蓝色532nm，绿色640nm，红色660nm)。平衡RGB中的输出功率可以获得更接近自然的颜色平衡，通常激光器功率使用50-100 mW。＞100m的相干长度意味着创建全息图没有困难(线宽＜1MHz)。最后，对于这种便携式系统，激光器的坚固和可靠是至关重要的。Cobolt的HTCure制造技术，，即使在最恶劣的条件下，激光器也可以确保工作数年。

图3：典型波长稳定性、功率稳定性和噪声性能(左) — Cobolt单频的激光器(右)。

“The Cobolt Twist and Samba have been proved an excellent choice for our mobile color holography camera. The lasers perform according to their published specifications. I never encountered an instance of mode hops even under, most important to our work, extremely diverse environmental conditions. It is also comforting to know that the remote tuning system of the lasers is available and fully functional if ever needed.”   Andreas Sarakinos Scientific Director and Head Holographer The Hellenic Institute of Holography   “Cobolt Twist和Samba已被证明是我们的便携彩色全息相机的绝佳选择。  激光器的性能根据他们公布的规格。 对于我们的工作来说，最重要的是，在多样化的环境条件下，我从未遇到过模式跳跃的情况。 令人欣慰地知道，如果需要的话，激光器可以远程系统调谐以充分发挥其功能。” Andreas Sarakinos 科学主任和首席全息学家 希腊全息研究所   结论 近年来，白光全息技术在安全和复制方面的应用重新引起了人们的兴趣。理想的激光光源应具有长相干长度、优异的波长稳定性和优异的鲁棒性，这些都是Cobolt04-01和05-01系列激光器的强项。   关于作者 Dr Elizabeth Illy, Cobolt AB, Stockholm, Sweden. Prof Hans Bjelkhagen, Hansolo Consulting Ltd, North Wales, UK.   原文链接 https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2020/05/Apps-note-Ultimate-lasers-for-white-light-holography.pdf   全息激光器产品链接 ：https://www.star-spectrum.com/light-2/#1646648887152-4f1956c3-abc2

专用高功率激光组合器促进全息技术的进步

Proc. SPIE. 11710-12, Practical Holography XXXV: Displays, Materials, and Applications (6 March 2021)

翻译：上海星谱科技有限公司  010-83503853 info@star-spectrum.com

摘要

激光全息成长为商业市场，用于全息光学元件(HOEs)的生产，用于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备中的图像投影，以及用于生成三维物体(如博物馆文物)的超逼真的全彩复制品的白光模拟全息图。这些快速发展的全息技术和基于全息技术的应用需要的光源要求：多个波长，同时在同一光路上稳定可靠。

商业化、极可靠的单频或单纵模(SLM)激光满足了全息拍摄的需求。这些激光在可见光谱中具有长相干长度、优异的波长稳定性和精度，以及稳定的高输出功率。然而多波长系统中所必需的光学对准和光束合束，在技术上是具有挑战性和耗时的。精细的组装和持续的维护会浪费宝贵的时间和资源。提高全息图和HOEs质量是我们所需的，从更基础的工作中转移出来，这便是目标，开发一种激光组合器，在曝光期间为每条激光线提供必要的性能，并具有强稳定性的对准光束，以及曝光之间的可重复性，这需要严格控制光机械组件设计和热处理。

本文评估了一种激光组合器的性能。该组合器可集成4条以上的激光线，激光的光功率可高达1.5 W，共线对齐，具有高精度的位置重叠、角重叠、光束指向稳定性和长时间的可重复性。该激光组合器包括激光源、控制电子器件和光束合束光学器件，并被设计为易于运输，提供了理想的激光合束解决方案，以促进全息技术的进步

关键词：全息照相，激光泵浦，激光合束器，二极管泵浦激光器

1. 引言

借助激光的相干特性，全息和干涉测量技术被用于全息光学元件(HOEs)的开发和生产，用于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备的图像投影; 利用真彩全息技术制作珍贵文物的三维复制品，如光学克隆™ [1].

随着虚拟现实(VR)和增强现实(AR)中图像投影设备的市场发展，全息光学元件(HOE)受到越来越多的关注。HOEs的制造是利用可见光的干涉和衍射，将三维特征记录到全息材料中。光学元件包括透镜、反射镜、衍射光栅和其他光束整形光学元件。全息工艺为轻量、灵活的光学元件提供了无限可能。[２]

光学克隆™，被用来展示无价的艺术作品，例如Fabergé蛋。这些复制品变得如此逼真，使得艺术爱好者在欣赏世界各地的巡回展览的同时，也能小心翼翼地保存真正的文物。真彩色全息图是由3种或3种以上不同波长的激光光源组合而成的，这就是所谓的“白光”全息图。

商业生产复杂、高精度的HOEs和逼真的真彩全息图通常需要多个高功率激光光源。这些激光源必须提供完美的TEM00光束，足够优秀的波长和功率稳定性，长相干长度，必须能够适应环境条件 [3]。这种激光器在商业上是可行的，但是多光源的光学对准和光束路径管理困难且耗时。校准和组合激光光源的工作可能会分散人们对制作HOEs和全息图这一本来就很有挑战性的工作的注意力。为了使这些技术更加商业化，多色、共线性、高性能的激光组合器必须能够适应各种环境条件。一种专用的高功率激光组合器提供了经过验证的稳定性能，消除了这些困难，促进了HOEs制造工艺的开发和全息图曝光优化。

2. 全息激光

相干性是激光的基本特性，它使全息照相和干涉测量成为可能。然而，要曝光高分辨率、稳定、均匀的全息图，以及具有研究所需的精度和适应日益增长的商业应用的处理速度的全息透镜，还需要进一步的性能。决定激光光源是否适合全息应用的关键性能参数是功率、功率稳定性、空间和时间相干性、光束形状和质量、波长稳定性和光束指向稳定性。

现有的许多激光技术可以提供全息术所需的必要性能，包括频率转换光参量振荡器[4]，频率稳定二极管激光器[5]，光纤激光器[6]和二极管泵浦固体激光器[7]。本文将重点讨论集成控制电子器件并且性能可靠的小型二极管泵浦激光器(DPLs)，[3]特别适用于全息专用的激光组合器中。

二极管泵浦激光器(DPLs)拥有完美的TEM00光束，提供高的光输出功率，具有全息所需的单频性能和光谱稳定性。DPLs通常由一个泵浦二极管、一个固态增益介质和一个非线性光学元件组成。非线性频率转换，如二次谐波、和频和三次谐波产生，使得在整个可见范围内(从457 nm到660 nm)产生离散波长的相干光成为可能。然而，仅仅获得合适的波长是不够的。为了提供足够窄的频谱，腔内纵模模抑制元件只允许一个模式传播，从而产生稳定的单频、单纵模激光。

图1:用于全息的二极管泵浦固态激光器原理图(上)和模式抑制原理图(下)。 [3]

在达到必要的单频性能后，激光器必须采用可重复的、可控的制造过程。HTCure技术制造的所有Cobolt激光器具有极高的可靠性和稳固性。腔体组件和光束整形选项使用高温固化粘合剂固定在一个整体平台上，整个光学组件是密封的，以确保组件永久对齐和无污染。选择最高质量的组件，优化热-机械相容性，主动控制关键组件的温度，以及平台本身，进一步稳定腔。此外，优化过程控制和验证关键参数，确保激光器在预期寿命内将达到所需的性能。

3. 小体积且性能卓越的全息激光器性能测试

基于已建立的性能稳定性和制造重复性[3]，并努力最小化外形，Cobolt 05系列激光器的控制电子已完全集成到激光头。这些激光器被称为Cobolt 05-iE，由于它们不需要辅助设备，因此非常适合集成到激光组合器中。

图2:完全集成控制电子器件的Cobolt 05-iE激光器，用于OEM集成的电源和I/O连接或到CE/CDRH兼容的按键控制盒。

众所周知，改变封装方式会潜在地影响稳定性，特别热处理是一个关键因素。在集成到专用高功率激光合成器之前，必须对所有关键性能参数进行验证，并证明其在操作环境变化时的稳定性。本研究演示和表征了波长为457 nm、532 nm和640 nm的Cobolt 05-iE激光器的。波长是专门选择的，用于同轴白光全息术。全息生产的曝光时间和记录速度取决于照明的强度，这使得合适的激光输出功率成为全息生产过程中生产力的一个关键因素。根据波长的不同，所需的功率水平可以从几十毫瓦到瓦不等。通常情况下，激光波长越长(越红)，所需的功率就越大。

本研究中包括的所有激光器输出功率均大于300mW，并已通过所有标准出厂验收测试，包括功率稳定性、噪声、单纵模性能、光束直径和椭圆度。这里演示了在指定的环境温度范围内工作时的性能，使用温度控制底板，从20℃到45℃循环，以模拟10℃到35℃的环境温度。温度循环测量的结果旨在表明，在实验室环境和不那么严格的气候控制的制造地点，集成电子器件没有对预期性能产生负面影响。

3.1 功率稳定性

激光器的功率稳定性是许多应用的一个关键性能参数，因此需要在每一个激光器上都得到验证。在图3中，我们展示了1.5 W的Cobolt Samba 05-iE 532nm激光器的结果。激光是安装在TEC温控板上，当底板温度从20℃ – 45℃变化时，检测功率稳定性。前12小时,包含两个6小时周期，紧随其后的是一个附加的6小时温度循环(下图12-18小时)激光器的电源开关的时间为30分钟和10分钟。在整个温度范围内，包括在底板温度循环的同时ON – OFF循环的一段时间内，功率稳定性始终优于2%。

图3:Cobolt 05-iE温度循环下的功率稳定性，激光功率测量为深蓝色，底板温度为蓝绿色(左)，温控激光举例(右)

3.2 光束形状和质量

如上所述，激光的强度也必须与曝光时间一致。此外，强度在空间中也应该是均匀的，理想情况下是一个完美高斯分布的TEM 00光束，m² < 1.1，无论任何方向，直径都相等，椭圆度优于0.90:1。下图是在35°C的恒定底板温度下，用光束质量分析仪测量光束质量，用扫描狭缝光束轮廓仪测量光束形状。

图4:光束质量m² < 1.1(左)和近乎完美的高斯光束轮廓(右)。

3.3 波长准确性

为了验证波长精度，将集成到激光组合器中的激光器安装在一个温度控制的底板上，温度在20℃到50℃范围内循环时，用高精度波长计以500毫秒的测量间隔测量波长。如图5所示，本研究中使用的激光器，底板温度从20℃到50℃，457 nm激光器的波长变化< 2 pm，532 nm激光<1pm,640nm激光< 6pm。640 nm激光在温度循环中波长稳定性的表现并不体现在恒温下的波长稳定性上。在恒温条件下，三种激光器波长稳定性表现优良;均<1pm。

图5:集成到激光组合器前， 457 nm、532 nm和640 nm 的Cobolt 05-iE激光器波长稳定性

3.4 单纵模性能

相干长度是决定激光是否适合全息应用的一个重要因素。具有腔内纵模抑制元件的二极管泵浦固体激光器的实际线宽<<1 MHz，对应超过100米的相干长度。通过对SLM性能的验证，我们可以确保给定激光器的期望线宽和期望相干长度没有偏差。为了确保SLM性能足够强大，可以用于系统集成，激光器用扫描法布里-珀罗干涉仪测量，具有10 GHz的自由光谱范围，给出约67 MHz的分辨率(相当于约1.4 m的相干长度，取决于相干长度的计算方式)，同时安装在一个温度控制的基板上。下面我们看到一个典型的结果，显示出完美的单模性能，用绿色表示，在20℃到50℃的温度范围内，在额定功率周围，下面结果显示了532 nm 1.5 W激光发射情况。

图6:SLM扫描窗口显示了在整个环境温度范围内以及在标称工作功率周围的功率范围内的单频性能。

3.5 光束指向稳定性

激光器必须具有优良的光束指向稳定性，才能成为光束组合系统的候选产品。为了测量光束指向的稳定性，激光器被放置在一个温度控制的底板上，该底板上有一个距离出光孔径至少1米的相机。在20℃到50℃的温度周期内连续测量光束质心的位置，为消除温控底板弯曲和运动对激光束指向结果的影响，在温控底板上反射额外的一束光束，并在测量的激光束指向稳定性中减去反射光束的指向稳定性。下面是来自Cobol 05-iE激光器的典型结果，<10 µrad /℃.

图7:集成到激光组合器之前，Cobolt 05-iE激光器的光束指向稳定性。

4. 全息照相专用高功率激光组合器

多色或“白光”全息照相可能需要3种或更多不同的激光器。光学对准既麻烦又耗时。为了克服这个问题，激光组合器的开发为全息图和全息光学元件的制造提供了一个紧凑和易于使用的界面。上述商用激光器的稳定性使它们可以被整合为一束共线的激光线，以允许在全息拍摄时拥有最大的灵活性，同时保持曝光参数的严格控制。这三种激光器组合安装在一个金属底板上，底板上还放置了合束和进一步处理光束传输的附件，如声光调制器或电子快门。激光组合器分别由用于每个光束的垂直平移棱镜和光束转向镜组成。所有激光器组合的发射都从一个共同的出光口发出。集成在组合器中的激光器的电气接口和软件控制接口也被整合进激光组合器外壳上的系统接口中。所有需要的激光安全特性也在激光组合器系统层面上得以实现，因此，激光组合器可以被视为一台可以三(或更多不同)波长发射的激光器。

图8:C-FLEX激光组合器之一，含457 nm、532 nm和640 nm三种Cobolt 05-iE激光器，红色为可选声光调制器，安装在激光头和组合器光学元件之间，可独立用于衰减激光线，且不牺牲稳定性。［8］

光束重叠和位置稳定性对任何激光组合器都至关重要，全息专用的高功率激光组合器也不能例外。光束线是由三个或多个单独的激光光束组成的，它们被制成共线，以方便多色全息曝光的实验和生产，使用组合器的关键优势是用户不必在改变颜色时调整曝光位置。如上所述，激光性能是决定激光组合器是否适合全息应用的关键因素。激光组合器作为一个系统，其性能需要得到进一步控制，如光束位置重叠和角度重叠特性，在恒定的基板温度下光束指向的稳定性，以及在温度变化情况下光束指向的稳定性，这些都已经在C-FLEX上进行了评估，并将在下面的章节中进行讨论。

4.1 激光组合器内的激光性能

演示激光组合器随时间变化的极致波长稳定性对于全息应用特别有意义。激光组合器集成了输出功率为1.5W的532 nm激光器，激光组合器安装在25℃温控的面包板上，用高精度波长计连续测量6天。结果显示波长在6天周期内的不稳定性<1pm。

图9:集成到激光组合器后的Cobolt 05-iE激光器的波长稳定性

4.2 激光组合器的光束位置重叠和角度重叠特性

在制造过程中对激光光束位置重叠和光束角度重叠进行优化，以实现装运前的理想对准。激光组合器内部的双针孔设计，让基准光束从最远的位置通过出光孔径。然后在距孔径约10厘米和距出光孔径至少1米处测量每束光的质心位置。利用集成的光力学合束器，微调光束在孔径处的位置，使光束重叠优于50μm，光束角度重叠优于150μrad。

4.3 在恒定的底板温度下，光束指向的稳定性

为了显示光束在固定环境条件下的指向稳定性，激光组合器被安装在温控面包板上，在整个测量过程中温度恒定的25°C。在距离激光组合器出光孔径1米处用光束相机测量光束质心位置，光束位置的变化(以μm为单位)除以组合器到相机的距离(以m为单位)，为光束指向稳定性(以μrad为单位)。

在图10中，我们看到在16小时的测试中测量的光束指向稳定性，每束光的角偏都小于30 μrad。这相当于在1 m处目标质心束位置的位移小于30µm。值得注意的是，本研究中激光器光束直径700 μm，457 nm和532 nm发散全角1.2 mrad，640nm发散全角1.4 mrad。在距离激光组合器出光孔径1 m处，激光的光束直径在1.4 ~ 1.5 mm之间，指向稳定性在光束全角的2%以内。

图10:在底板恒温情况下，组合器中每束激光光束指向稳定性

4.4 不同底板温度下的光束指向稳定性

此外，还测量了激光组合器底板温度对光束位置和角度偏差的影响。将水冷面包板设定在20 ~ 45℃范围内的不同温度，测量该范围内，光束角随温度的变化。当底板温度从一个设定值阶跃到另一个设定值时，以连续的方式获得光束质心位置。激光组合器基板从20℃处开始，以初始光束位置为基准测量相对角偏差归一化结果。图11中的光束角偏差代表了各光束的角偏差与激光组合器底板温度的关系，而不是光束与光束角重叠的关系。

640 nm激光在离出光口最远的位置，显示出组合器最大的光束角偏差15.6 μrad/℃，这完全< 20 µrad/°C的标称值。与直觉相反，结果显示激光器在第二位置的光束角度偏差与温度相关性最小。这可能是由于激光本身极致的指向稳定性，或者是由于中心的底板比两边更小的温漂，还有待观察。

图11:不同底板温度下，激光组合器光束指向稳定性。640nm激光器离出光口最远。

5. 结论

通过在单一平台上集成三个高功率单频可见激光器，具有完美的TEM00光束和极稳定和可靠的光谱性能。精密对准共线“白光”激光组合器，能够满足全息领域日益增长的的重要性能要求。这种高功率激光组合器是可运输的，包括所有的激光控制电子器件，结合光学和通信枢纽在一个单一的外壳，提供理想的激光光源，促进全息技术的进步。

参考文献：

[1] Sarakinor, A., Lembessis, A., “Color Holography for the Documentation and Dissemination of Cultural

Heritage: OptoClones™ and Four Museums in Two Countries”, Journal of Imaging (15 June 2019)

[2] Kim, N., Piao, Y.L., Piao, and Wu, H.Y., Holographic Optical Elements and Applications, Holographic

materials and Optical Systems, Intech Open, (2017)

[3] McGovern, T., Rådmark, M., Elgcrona, G., Karlsson, H., “Ensuring reliable single-frequency laser performance

for holography and other interferometric techniques in production environments,” Proc. SPIE. 11306, Practical

Holography XXXIV: Displays, Materials, and Applications (21 February 2020)

[4] Hens, K., Sperling, J., Waasem, R., Gärtner, Elgcrona, G., “Widely tunable CW Optical Parametric

Oscillators:Mastering the challenges posed in quantum technology research,” Proceedings Volume 11269,

Synthesis and Photonics of Nanoscale Materials XVII; 112690S (2 March 2020)

[5] Hens, K., Sperlinga, J., Sherliker, B., Waasem, N., Ricks, A., Lewis, J., Elgcrona, G.,” Lasers for holographic

applications: important performance parameters and relevant laser technologies,” Proc. SPIE 10944, Practical

Holography XXXIII: Displays, Materials, and Applications, 1094408 (1 March 2019)

[6] “Fiber lasers holography”. https://azurlight-systems.com/portfolio_page/fiber-lasers-holography/

[7] “DPSS-Lasers”. https://hubner-photonics.com

[8] “C-FLEX Laser Combiner”. https://hubner-photonics.com/products/lasers/laser-combiners/c-flex/

原文链接

https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2021/09/11710-12-Facilitating-advancements-in-holographic-techniques-with-dedicated-high-power-laser-combiner_Ref.pdf

全息激光产品链接

全息激光器性能参数分析

作者：E.K. Illy*, H. Karlsson & G. Elgcrona. Cobolt AB, a part of HÜBNER Photonics, Vretenvägen 13, 17154, Stockholm, Sweden

翻译：上海星谱科技有限公司 010-80102555 info@star-spectrum.com上海市普陀区中江路388弄国盛中心2号楼1506室

摘要

目前人们对全息技术和全息光学元件(HOEs，holographic optical elements)的兴趣激增，与虚拟现实（VR，virtual reality）和增强现实（AR，augmented reality）应用有关，这导致对新的激光技术的要求增加，需要新的波长，更高的输出功率，在某些情况下，改良控制这些参数是重要的 。

无论是对于全息图的光学记录，还是图像显示器用HOEs的生产，光源通常固定在RGB波长中选择激光器(457nm, 473nm, 491 nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm，640 nm, 660 nm)或者选择一个波长可调谐的光源(450 nm – 650 nm)或组合。在所有情况下，激光器需要有很长的相干长度(<10 m)，优秀的波长稳定性和精度以及非常好的功率稳定性。此外，由于全息技术和HOEs的新应用通常需要在工业环境中大量制造，因此对具有良好可靠性和长工作寿命的激光源的要求越来越高。

在本文中，我们介绍了使用高平均功率、单频(SF)或单纵模(SLM)激光器产生全息图和HOEs时应考虑的性能指标，以及能够提供这些性能指标的一些激光技术。

关键词:全息激光，SLM，激光性能，激光波长

1. 引言

1971年，诺贝尔奖授予了丹尼斯·加伯，以表彰他“发明和发展全息技术”。他因为在20世纪40年代所做的工作而获奖，那时候激光还未发明。自从1960年激光发明以来，全息摄影作为一种记录方法和一种3D图像显示艺术形式开始腾飞。后来，全息技术也被应用于防伪保护。在过去的五年中，更紧凑、成本更低的单纵模激光器(SLM)的出现，以及新一代敏感乳剂的发展和波长可选择的LED照明光源的出现，为全息技术开辟了新的应用领域。

例如，这些技术的改进为抬头显示以及虚拟现实(VR)和增强现实(AR)投影相关技术进入大批量消费市场铺平了道路。虽然全息图和HOEs的大批量复制已经以压印的形式在安防行业使用了几十年，但抬头显示需要比压印提供的分辨率更好的全息图。这就意味着激光很可能会被用来写入这种全息图，而这很可能会以激光打印机的形式来完成，类似于现在的3D打印机。

激光技术、乳剂和光源的发展也驱动了白光全息术的巨大进步，这为与物体的超逼真3D复制相关的全息术开辟了新的应用领域。

用于写入单色或多色全息图或HOEs的激光器的性能特性，无论是母版还是量产，都是至关重要的。

2.白光全息激光器

模拟全息是在2D全息干板上呈现物体的3D图像，通过记录相干光照射物体并将物体反射的光与来自同一相干光源的参考光束混合时发生的干涉图样来实现。全息图是物体的3D呈现，因为干涉图样包含反射光的相位信息。

在单色全息中，使用单个激光记录全息图。通过物体曝光，或者3D CAD文件记录。理想情况下，单色光源照亮全息图，以最高清晰度呈现物体的3D图像。但是在现实中，全息图往往是白光源照明，这通常导致图像呈现不清晰，而且只有一种颜色。

与之相反，在白光全息术中，通常使用3种(最多5种)颜色来书写全息图;蓝色，绿色和红色。定制波长的LEDs可以获得非常接近写入激光波长的光，结合新的敏感乳剂，被照亮的全息图可以达到最大的清晰度。白光全息术最近重新引起了人们的强烈兴趣，因为它被证明能够实现超逼真的3D复制。

到目前为止，写入全息图或HOEs的激光器最重要的性能要求是相干长度。从技术上讲，全息图可以被描述为光场的照片，包含光场的相位。为了记录光场的相位含量，光源需要是相干的。我们所说的相干是指所有光波在同步中传播，即它们具有相同的周期和相位，这种特性在真正的单纵模(SLM)或单频(SF)激光器中出现。光源的相干长度与发射光的光谱带宽(时间相干)和光束截面上相位波前的均匀性(空间相干)直接相关。产生干涉图样所需的光的相干距离由景深决定;景深越大，所需的相干长度就越长。一般来说，大于1m的相干长度就够了。

除了相干长度，还有其他一些重要的参数需要考虑。如:输出功率、波长精度、稳定性、可靠性。此外，还可以考虑激光是连续波还是脉冲。下表总结了这些性能特性如何影响全息图的质量。

表1. 写入全息图激光的重要性能特性

3. 固体激光之与全息技术

写入全息图或HOEs，基本有5种激光技术可以满足长相干长度的要求。所有提供独特的波长，无论是固定还是可调，输出功率都是从十几mW到几W:

1.频率转换二极管泵浦的单频激光器SLM（DPL or DPSS lasers）（产品链接：04系列DPSS，05系列DPSS，08系列DPL）

频率转换二极管泵浦单纵模(SLM)激光器是一种易于获得的紧凑和廉价的选择，从紫外到近红外的固定波长和相干长度为一百多米。DPLs是固态激光器，比传统使用的气体激光器更高效，更紧凑，寿命更长。在可见范围内，大量的固定波长线在蓝-绿-红区域可用(457nm, 473nm, 491nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm, 640 nm, 660 nm)与输出功率的规模为0.5W，根据乳剂和照明源灵活选择最优波长。这些激光器提供了固有的优秀的圆形TEM00光束(图1)，精确的波长和优良的波长稳定性(图2)。

图1：典型的DPL SLM激光器TEM00光束剖面（来自Cobolt AB）

图2：DPL SLM激光器的典型波长和功率稳定性（来自Cobolt AB）

2.波长可调谐的CW OPOs(产品链接：C-WAVE)

基于频率转换OPO技术的可调谐连续波单频激光光源，近年来成为一种可用于写入全息图和HOEs的长相干长度激光光源。

独特的设计意味着单个激光在450 – 650 nm范围内的任何波长(泵浦波长处有简并)可以获得，功率高达半瓦。

波长选择的灵活性，允许完全定制的写入波长，使全息图更难以复制，因此非常利于基于安全的应用。

波长的可调谐性还允许根据照明光源(如LEDs)的特定颜色来调整曝光波长，从而提高全息图或HOEs的质量。

另外，这种波长的灵活性可以作为补充的第4或5波长在RGB托盘的固定波长为创造最终复制白光全息图，即文物文档。这额外的第4或第5波长可以用来突出文物独特的颜色。

3.单频或稳频二极管激光器（产品链接：08系列NLD）

单频或稳频激光二极管提供了一种可选择的激光技术，可得到略有不同的波长。在这些激光器中，使用窄线宽反射的衍射光栅元件(如体布拉格光栅，VBG元件)与二极管激光发射器一起实现窄线宽发射(对应于较长的相干长度)，适合写入全息图或HOEs。这种激光解决方案的典型波长为405 nm、488nm、633 nm和785 nm，功率级别为100 mW。通过锁频多横模二极管激光器，也可以实现更高功率水平的窄线宽发射。通过放大窄线宽或单频二极管激光器，并将它们与频率转换相结合，就有可能达到可见光光谱中适合全息照相的其他波长。这种激光技术的一个优点是可以提供一定程度的波长可调谐性，典型范围是几到十几nm。

4.频率转换光纤激光器（产品链接：AZURLIGHT单频光纤激光器）

一般来说，高功率光纤激光器通常不是SLM或SF，但通过放大单频主振荡器，可以实现SF性能光纤激光器。光纤激光器和放大器通常掺杂Yb，其发射波长在1000-1100纳米之间。这种发射反过来可以被外部频率转换为可见光谱范围。典型的波长是488nm, 515 nm和532 nm，输出功率相当高，大约几瓦。其优点是，频率转换输出通常是从连接到激光器和驱动电子器件通过光纤，这种小型激光头散热低，不需要安装可能在全息图记录过程中引起干扰振动的风扇。

5.脉冲固体激光器（产品链接：Tor系列）

最后考虑了脉冲SLM激光器。第一个用于写入全息图的激光器是脉冲红宝石激光器。短脉冲(ms)的优点是全息图可以在很短的时间内写入，原则上可以捕捉到运动物体的瞬间。虽然在1960年激光发明后的几十年里，脉冲红宝石激光器被连续波激光器取代，成为写入全息图的首选光源，但能够在如此短的时间内写入全息图的优势不可忽视，特别是考虑到批量生产。用单ns – 百ns长脉冲写入全息图的可能性意味着可实时写入HOEs，从而实现量产。然而，根据定义，脉冲固体激光器不是典型的SLM，并且可能在脉冲能量较低的一端，使商业脉冲激光器的选择相当有限。尽管如此，结合感光乳剂薄膜，这可能是未来激光打印机和HOEs真正量产的一个考虑因素。

图3:使用RGB DPL激光器书写白光全息图一个例子。(来自Proff. Hans Bjelkhagen)

4.总结

固定波长或可调谐波长激光器，无论是二极管泵浦激光器、倍频opo激光器、稳频二极管激光器和变频光纤激光器，无论是工作在连续波还是脉冲，都可以用于写入全息图和全息光学元件(HOEs)。最重要的性能特征是较长的相干长度，此外，良好的功率稳定性，波长精度和稳定性，以及最重要的可靠性。

参考文献

[1] “The Nobel Prize in Physics 1971”. Nobelprize.org.

[2] Coboltlasers.com

[3] https://www.hubner-photonics.com/products/laser-technology/tunable-lasers/

[4] https://www.coboltlasers.com/lasers/narrow-linewidth-lasers/

[5] http://azurlight-systems.com/applications/holography

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Ruby_laser

原文链接：https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2020/05/Publication-E.K.-Illy-et-al.-Lasers-for-holographic-applications-ISDH-2018.pdf

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