超快脉冲激光器时间和空间光束整形的原理及应用综述
正如 Stoian、Baumert、Lu 和 Sanner 等专家所讨论的那样，使用飞秒激光器进行材料加工侧重于超快激光脉冲与材料之间的精确相互作用 [13,14。飞秒脉冲的超快特性允许对材料进行修改，例如烧蚀或结构变化，而不会在很大程度上加热材料。这导致最小的热损伤，这在微加工和生物工程等领域是一个至关重要的优势。飞秒脉冲的高峰值强度可以诱导非线性吸收过程，在正常情况下，即使在对激光波长透明的材料中也能吸收能量[13,14,15,16]。
Shin 等人探索并比较了纳秒激光器与超短脉冲激光器的成本、热效应和精度，Wang 等人解释了通过多脉冲飞秒脉冲序列在晶体中非线性电子-光子相互作用的原理 [1,2]。由于这些非热过程，超短激光器在制造最先进的纳米特征方面具有许多优势。Wang et al. 和 Soleimani et al. 报道了纳米线的制造和晶体蓝宝石切割，这证明了在无限制材料工艺中非热工艺的优势 [3,4]。
超快脉冲激光器通常发射从几飞秒到几皮秒不等的光脉冲。如此短的脉冲宽度是使用锁模技术实现的，其中激光腔被主动或被动调制以产生超快脉冲。尽管脉冲宽度较短，但超快脉冲激光器可以实现高峰值功率。这种高峰值功率有利于产生非线性光学效应，如多光子吸收和谐波产生，以及需要强烈激光照射的材料加工应用[11,13,14,15,16]。
时间和空间脉冲调制提供了许多有用的分析工具。Zhao 等人报道了脉冲间延迟对飞秒-纳秒双脉冲激光诱导击穿光谱定量分析的影响，作为超短脉冲激光时间调制的一种方式，Mendez-Lopez 等人研究了飞秒激光诱导的等离子体的空间分辨表征 [11,12].Carpene等报道了一种利用泵-探针技术表征磁化矢量的实验装置，该技术广泛用于时间脉冲调制[17]。此外，Feist 等人开发了一种由光发射驱动的透射电子显微镜，开启了 TEM 的新时代 [18]。
超快脉冲激光器通常表现出优异的脉冲间稳定性和可重复性。这对于需要精确控制激光参数的应用至关重要，例如激光微加工、时间分辨光谱和多光子成像。由于其超快脉冲持续时间，超快脉冲激光器可以烧蚀材料，对周围环境的热损伤最小。这种非热烧蚀工艺有利于加工热敏性材料，如聚合物、生物组织和半导体衬底[4,5,6]。特别是，表面的微或纳米结构可用于制造光学器件，如微透镜阵列和衍射光学元件，它们可以通过光学相干断层扫描（OCT）进行测量，如图2所示[19]。Zhu 等报道了超快脉冲激光制备纳米结构的各种应用，并提供了时间和空间光束调制的技术前景和潜在用途 [6]。Chasys 等人报道了用于激光纹理加工的 OCT 系统的详细开发 [19]。使用飞秒激光的 OCT 是一种先进的成像技术，主要用于医学诊断，尤其是眼科，用于捕获生物组织的详细横截面图像。飞秒激光器通过提供高精度超快脉冲和最小的热损伤来增强 OCT，从而提高成像分辨率并减少组织破坏 [19]。
尽管脉冲持续时间较短，但超快脉冲激光器可以实现非常高的峰值功率。这种高峰值功率可实现高效的非线性光学工艺和参数化工艺。这些非线性效应对于微纳加工、材料加工和非线性显微镜应用至关重要[1,2,3,4,5,6,7]。超快飞秒或皮秒脉冲持续时间允许对激光与材料相互作用进行精确的空间和时间控制。这种精度可实现高分辨率成像、亚微米精度的微尺度加工和选择性材料烧蚀，而不会损坏周围区域。在激光眼科手术和显微外科手术等领域，超快脉冲可以精确去除组织，同时将附带损伤降至最低 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。
超快脉冲激光器用于许多生物医学应用。与长脉冲激光器相比，超快脉冲激光器可以实现超高的峰值功率，以实现所有材料的完全电离，并且通常表现出宽带光谱[1,4,5]。宽带光谱具有对应于宽频率带宽的短脉冲持续时间，可实现高效的非线性光学过程，并促进 OCT 和光谱学等应用 [1,2,3,4,5,19]。OCT 是一种测量物体尺寸的成像技术，在许多应用中，横向点 OCT 测量可以提供不同材料层的深度，如图 2 [19] 所示。
时间或空间脉冲整形在许多应用中是必不可少的。超快脉冲的短时间宽度对应于频域中的超快相干长度。这一特性允许激光能量的精确时间定位，并支持具有深度辨别功能的高分辨率成像和光谱技术，如光学相干断层扫描和多光子显微镜[8,9,10,11,20,21,22,23]。
Zhang et al. 使用超短脉冲激光对空间光束整形进行了广泛的研究 [20]。他们使用衍射光学元件重塑高斯光束轮廓，以实现平顶分布。Bourquard等报道了飞秒激光脉冲的时间整形对铝和硼激光烧蚀的影响，并发现在长延迟或长脉冲持续时间下，离子发射饱和的增加是由于等离子体开始后成形激光脉冲和膨胀物质之间的相互作用[21]。
在微加工中，应用常规沉积技术来制作各种材料，如类金刚石碳氧化物、氮化物和准晶体，激光束的优势通过平顶激光束得到最大化，例如经常使用定制的光束形成。在深飞秒范围内，使用强电光相位调制和随后的连续波激光器压缩，其应用不仅限于高场激光与物质的相互作用。尽管如此，它们仍被用于超快时间分辨光谱、光钟、非线性显微镜、光通信等 [24]。正如 Rebane 等人早些时候研究的那样，通过超快信号对激光进行干涉处理表明，可以进行空间光束调制以进行纳米级纹理化 [25]。正如Weiber和Ackermann等人在他们的综述文章中报道的那样，超快脉冲整形实现了光波形，并通过时间和空间调制来控制相位、振幅和偏振[24,25]。
超快脉冲激光器应用于多个领域，包括材料微加工和加工、非线性光学成像和光谱学、超快光谱学和动力学、激光微纳米加工、医学成像和外科手术、量子技术、飞秒激光直写、超快光学开关、信号处理等。总体而言，超快脉冲激光器是一种多功能工具，可在各个学科中实现精确、高效和多功能的激光加工，推动科学、工程、医学和技术的进步 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,26,27]。
2. 超快脉冲激光器的优势
如表 1 所示，超快脉冲激光器在各种应用中具有许多优势。超快脉冲激光器由于其独特的时间特性，与传统的连续波和长脉冲激光器相比具有多项优势，包括飞秒和皮秒级的极短脉冲持续时间。这些优势使它们成为科学、工业和医疗应用中不可或缺的工具[4,5,6,7]。通过使用强大的超短脉冲激光器，激光能量通过非线性吸收和非热过程储存 [4]。脉冲-晶格相互作用时间比到晶格的传热时间短得多，因此脉冲在发生任何热效应或结构效应之前结束。Zhu et al. 和 Moreno-Madariaga et al. 报道了许多超快脉冲激光的非热烧蚀工艺，用于清洁油漆和纤维增强聚合物以及纳米结构制造 [6,7]
超快脉冲激光器可以烧蚀材料，对周围环境的热损伤最小[3,4]。短脉冲持续时间将能量沉积限制在较小的空间和时间体积内，从而实现快速能量吸收和最小的热扩散。这种非热烧蚀工艺对于必须避免热损伤的精密材料和生物组织至关重要。超快脉冲激光器通常被称为“冷”激光器，因为它们具有超快的脉冲持续时间和非热烧蚀特性。超快脉冲激光器可以加工和处理材料，而不会产生较大的热影响区或引起热应力。这种能力有利于加工热敏性材料，如聚合物、生物组织、防污漆清洗剂、纤维增强聚合物等[3,4,5,6,7,8,9]。
超快脉冲激光加工提供的精度和控制通常无需抛光、清洁和表面处理等后处理步骤。这不仅节省了制造时间和资源，而且最大限度地降低了加工材料出现缺陷或污染的风险[10,11,12]。超快脉冲激光器表现出广泛的材料兼容性，使其能够加工各种材料，包括金属、半导体、陶瓷、聚合物和生物组织。这种多功能性使它们成为各种行业的宝贵工具，包括航空航天、汽车、电子、生物医学和文化遗产保护[6,7,8,9,10,11,12]。在生物医学、表面微/纳米结构、药物输送系统、生物传感器和人工器官等应用中，超快激光器可以作为最先进的技术使用[6,7,8,9,10,11,12]。Calvarese 等人回顾了飞秒激光消融术的最新发展，重点介绍了其不断扩大的生物医学应用，包括硬组织手术和用于图像引导显微外科手术的内窥镜探针的开发 [9]。
超快脉冲激光器使多光子成像和光谱技术能够对生物组织和材料进行高分辨率的三维成像[6,28]。这些技术提供了更深的组织渗透性，减少了光损伤，并提高了对比度，使其成为生物医学研究、神经科学和药物发现中不可或缺的技术[9,22,23,29,30,31,32]。总体而言，超快脉冲激光器的优势源于其独特的时间特性，可在广泛的应用中实现准确、高效和多功能的激光加工。随着技术的进步和超快脉冲持续时间变得越来越短和更容易获得，这些激光器的潜在应用和优势不断扩大。Radmilovic 等人探索了超短激光脉冲与血红蛋白之间的相互作用，揭示了稳定荧光光产物的形成，可用于红细胞的精确微图案化和实时跟踪，在生物医学成像和诊断中具有潜在应用[32]。
Rabitz、Gerber 和 Feurer 专注于优化激光脉冲，用于自适应物质相互作用、飞秒化学和光谱学等各种应用，开创了脉冲整形技术的发展和主要步骤。这些技术可以精确控制超快激光脉冲的时间分布，通常在飞秒范围内。主要进步包括使用傅里叶变换脉冲整形和声光可编程色散滤波器，它们能够控制脉冲相位和幅度。这些方法通过塑造激光的时域特性，在优化激光脉冲和物质之间的相互作用方面取得了重大进展，从而在实验中获得了更高效和更有针对性的结果[33]。
3. 超短脉冲激光器中的时间和空间光束整形
3.1. 光束整形的原理
超快脉冲激光器中的时间和空间光束整形分别是控制激光脉冲时间和空间特性的重要技术。这些整形方法允许精确纵脉冲持续时间、时间分布、光束分布和强度分布，为各种应用提供多功能性和控制。Mendez-Lopez、Carpene和Feist报道了空间和时间形状的超快激光器可用于光谱学和纳米级制造成像[12,13,14]。用于超快脉冲激光器的时空光束整形技术可以精确控制脉冲特性和光束轮廓，从而在超快光学、激光材料加工、生物医学成像和光通信等领域取得进展[2,9,19]。研究人员和工程师可以通过调整激光脉冲的时空特性来优化激光性能，并在众多应用中获得所需的结果。Calvarese 等人回顾了飞秒激光消融术的进展，强调了其在眼科以外的精确、微创手术中的潜力，包括牙科和骨科应用中的硬组织消融术，并探索了图像引导内窥镜探针的发展，以增强实时诊断和靶向显微手术 [9]。
时间脉冲整形的一个例子是泵浦探测技术，它可以以亚皮秒分辨率提取单个投影的时间依赖性 [17]。这种方法被广泛用于研究寻找特定物理现象的时间演变。时间光束整形控制超快激光脉冲的时间分布。该作对于优化激光与材料之间的相互作用、控制非线性光学效应以及获得所需的加工结果至关重要[18,34,35,36,37,38]。Feist 等人介绍了由激光触发场发射器驱动的超快透射电子显微镜 （UTEM） 的开发，该显微镜通过高相干电子束实现飞秒时间分辨率，从而在纳米级动力学的成像、衍射和光谱学方面实现了新的功能 [18]。
啁啾脉冲压缩技术，例如使用光栅对和棱镜压缩器，是最常用的技术，用于减少脉冲持续时间，同时保持高峰值功率。这个过程对于实现许多应用所需的超快脉冲宽度至关重要，例如高分辨率显微镜和激光材料加工，如图 3 所示 [27,34,35,36,37]。Ge 等人提出了一种突发模式啁啾脉冲放大系统，该系统使用由多孤子束种子的掺镱光纤激光器，实现了高功率飞秒脉冲，在脉冲串重复频率方面具有增强的灵活性，适用于材料加工和非线性显微镜等应用 [27]。Dansette等人使用啁啾飞秒激光脉冲探讨了群延迟色散（GDD）和高阶色散对二次谐波产生（SHG）的影响，证明少量的啁啾可以显著影响转换效率和光束质量，突出了精确控制色散以实现高效SHG的必要性[35]。
图 3.拟议的 CPA 系统示意图。OC，耦合器;NPS，非线性移相器 [27.
光学参量放大器 （OPA） 允许更复杂的脉冲整形;OPAs的发展为在各种光谱范围内获得可调谐的超短激光脉冲提供了机会，从而使OPAs成为在宽波长范围内产生飞秒脉冲的通用工具[29,38,39,40,41]。使用调谐到各种波长的 OPA 激光器已经形成了各种微波纹 [41]。Kozich 等人提出了一种由 1030 nm Yb/KGW 激光器泵浦的高能光学参量放大器系统，该系统在中红外范围内产生可调谐的飞秒脉冲，使用负啁啾泵浦脉冲或变换限制泵浦脉冲实现高脉冲能量和效率，用于飞秒红外实验 [39].Guo 等人展示了一种使用 YCOB 晶体的宽带飞秒光学参量放大系统，该系统在近临界波长简并处实现了近红外区域的放大，从而获得高增益带宽和能量效率，使其适用于产生超短、高强度脉冲 [40]。
空间光调制器 （SLM） 是光束整形中的另一种先进技术。最近，飞秒激光器和SLMs被结合起来，实现了计算机生成的全息图和微/纳米级的制造[42,43\u201244]。SLM 主要用于空间波束整形，但也可用于时间脉冲整形。通过对入射激光脉冲应用空间变化的相位模式，SLM 可以纵脉冲的光谱相位和时间分布。该技术可实现高精度、通用和可编程的脉冲整形 [42,43,44,45,46,47]。Hasegawa 等人展示了一种全息飞秒激光加工方法，该方法使用具有 6.3 kHz 脉冲到脉冲空间光调制的铁电硅基液晶空间光调制器，能够使用二进制相位掩模对计算机生成的全息图 （CGH） 进行高速重新配置，以实现高效和精确的激光材料加工应用 [42].Kuang等人提出了一种高通量飞秒激光加工技术，该技术使用空间光调制器用计算机生成的全息图创建衍射多光束图案，在硅和Ti6Al4V等材料上实现高效和精确的表面微结构，并显著提高了通量[46]。Jesacher 等人讨论了一种在三维空间中并行直接写入激光的方法，该方法通过设计具有较低衍射功率的全息图来最大限度地减少色差，从而能够在金刚石、熔融石英和铌酸锂等材料中高精度制造光子器件和纳米结构 [48]。
3.2. 时间光束整形
傅里叶变换脉冲整形技术利用光谱相位调制来塑造激光脉冲的时间分布[20,21,22,23]。可以通过通过色散元件调制光谱相位并应用逆傅里叶变换来合成复杂的时间曲线。该技术可实现精确的脉冲持续时间和线性调频控制，有助于超快光谱和脉冲压缩等应用，如图4所示[21,22,23]。时间-带宽积是表征超快脉冲激光器的基础，代表了脉冲持续时间和光谱带宽之间的权衡。在超快脉冲激光器发射飞秒或皮秒级的极短持续时间的光脉冲的情况下，时间带宽积在理解这些脉冲的时间和光谱特性方面起着至关重要的作用[23,29,30,31]。
Gunaratne 是最早研究带宽和相位整形对飞秒激光诱导击穿光谱影响的先驱之一。Gunaratne 等人证明，更宽的带宽会导致更低的 LIBS 阈值，并且相位控制可以提高效率，使其成为精确材料分析和微加工的有前途的工具 [23]。Lopez-Ripa 演示了使用振幅摆动技术对可见光到近红外光谱范围内的超短激光脉冲的表征，强调了其在不同光谱范围内工作的灵活性，无需进行重大修改，并引入了差分进化算法以实现高效的脉冲检索 [29]。
傅里叶不确定性原理是傅里叶变换脉冲整形技术的基石，它为同时确定脉冲的时间和光谱特性设定了基本限制。该原理指出脉冲时间带宽和频谱带宽的乘积受常数限制，是理解该技术理论基础的关键。因此，该技术专注于最小化时间带宽积，这对于实现具有尽可能窄的脉冲持续时间和频谱带宽的转换限制脉冲至关重要。在超快脉冲激光器中实现低时间带宽积是可取的，原因有几个，包括脉冲压缩、非线性光学效应、高分辨率光谱和非超快动力学[23,32,45,49]。
Caceres-Pablo 等人介绍了一种新颖的超长被动锁模环形光纤激光器架构，利用拉曼放大在长达 25.2 km 的环形谐振器中产生飞秒脉冲，实现低于 200 fs 的脉冲和 20 kHz 的超低重复频率，使其适用于高能脉冲应用 [36]。Bourquard 等人研究了时间脉冲整形对超短激光脉冲产生的铝和硼烧蚀羽流的影响，表明整形会增加离子发射并减少纳米颗粒的产生，这对优化材料加工中的等离子体组成和纳米颗粒生成具有重要意义 [21]。
时间脉冲整形的典型方法是啁啾脉冲，其中脉冲的频谱分量是频率扩展。脉冲压缩技术，例如光栅或棱镜等色散元件，可以将这种啁啾脉冲压缩到更短的持续时间，同时节省能源。在这种情况下，实现低时间带宽产品的实际好处是显而易见的，因为必须实现高压缩比并最大限度地减少压缩过程中的失真[21,22,23,29,30,31,32]。Salgado-Remacha 等人证明了使用全光纤超连续谱生成将超短脉冲单步自压缩到 20 fs 以下，数值模拟证实了共振色散波作为最佳脉冲压缩关键指标的作用 [32]。
具有宽光谱带宽的超快脉冲对于感应非线性光学效应（如自相位调制、四波混频和超连续谱生成）至关重要。低时间带宽积确保脉冲持续时间足够短，以有效地驱动这些非线性过程[23,29,30,31,32]。在光谱应用中，短持续时间的窄带激光脉冲是实现高光谱分辨率和最小化展宽效应的理想选择。低时间带宽积表明激光脉冲接近变换极限，从而可以进行精确的光谱测量 [23,29,30,31,32,45,49]。在超快科学中，过程发生在飞秒或皮秒时间尺度上，具有低时间带宽积的超快脉冲激光器对于研究具有高时间分辨率的快速动力学至关重要[33]。产生变换限制脉冲的能力有助于对超快现象进行精确的时间分辨测量[45,50,51,52]。
在超快脉冲激光器中实现低时间带宽积需要仔细设计激光系统，优化脉冲整形技术，并最大限度地减少色散效应[20,21,22,23]。通过减少时间带宽积，研究人员和工程师可以产生具有高时间和光谱纯度的超快脉冲，从而实现超快光学、激光光谱学、材料加工和生物医学成像的进步。表 3 总结了当前时间脉冲调制使用的技术。
3.3. 空间光束整形
空间光束整形涉及控制激光束的空间轮廓和强度分布。这种作对于优化激光传输、提高加工效率和实现所需的光束特性至关重要。衍射光学元件是一种主要用于空间光束整形的技术 [31,42,43,44,45,46,47,53,54]。Kuang等人展示了高通量衍射多光束飞秒激光加工，Karosas等人研究了使用飞秒激光器的熔融石英基相位衍射光学元件[46,55]。
如图 5 所示，SLM 还可以通过对入射激光束应用空间变化的相位模式来用于空间光束整形。通过动态控制光束上的相位分布，SLM 可以生成定制的强度分布和光束形状。该技术能够为激光微纳加工和光捕获等应用实现自适应光束整形[56]。衍射光学元件 （DOE） 是微结构光学元件，可将入射激光束衍射成所需的强度图案。通过在 DOE 上设计适当的相位剖面，超快脉冲激光束可以塑造成复杂的空间剖面，例如高斯到平顶剖面或多个焦点。DOEs广泛用于激光材料加工和显微镜检查等应用[55,56,57\u201258]。Ackemann等人提出了一种在激光材料加工中用于仅相位光束整形的高速散斑平均方法，该方法使用振镜扫描仪在空间光调制器上扫描激光束，有效降低了散斑噪声，提高了超短脉冲激光应用的光束整形效率和质量[26]。
图 5.（a） 用于空间波束整形的 SLM。（b） 纯相位光束整形的方法 [26]
锥透镜是锥形透镜，可以将高斯激光束转换为具有窄中心瓣和扩展焦深的贝塞尔光束。这种光束整形技术适用于需要长传播距离或精确控制焦距的应用，例如激光微纳加工和光镊[57,58]。Dudutis 等人展示了使用激光制造的锥透镜产生高质量的贝塞尔光束，这些光束有效地应用于玻璃切割，通过锥透镜倾斜作实现了增强的性能，从而提高了玻璃分离质量和切割效率 [58]。
有多种方法可以均匀化超快脉冲激光束的空间强度分布。这些技术旨在在整个光束横截面上产生均匀的强度分布，确保一致的加工结果。例子包括微透镜阵列、衍射扩散器和蝇眼聚光镜[26,59]。Bischoff等人提出了一种使用更便宜的皮秒脉冲激光系统在硼硅酸盐和钠钙玻璃上生成激光诱导的周期性表面结构的方法，优化了扫描策略，以实现高质量的类金属和类电介质纳米结构，用于工业应用[59]。
全息光学元件 （HOE） 利用全息技术来塑造超快脉冲激光束。它们可以通过记录参考光束和物体光束的干涉图案来生成复杂的光图案。这种方法能够为特定应用创建定制的光束形状，例如光阱或激光材料加工[24,25,60,61]。
光束均匀化技术用于均匀化超快脉冲激光束的空间强度分布。这些技术旨在在整个光束横截面上产生均匀的强度分布，确保一致的加工结果。例如微透镜阵列、衍射扩散器和蝇眼聚光镜[26,62,63]。Bieda等人证明，通过微透镜阵列可以实现间距小于1微米的明确周期性图案[63]。
波前整形技术纵超快脉冲激光束的相位和偏振，以实现所需的聚焦或传播特性。例如，自适应光学系统可以使用可变形反射镜动态调整入射光束的相位，补偿光学像差并优化光束质量[64,65,66,67]。Dement'ev 等人通过实验证明了使用几何光学反射、飞秒激光脉冲进行波前重建，并表明该方法提供了消色差波前重建，与传统的全息方法不同，它避免了衍射并能够使用宽光谱辐射进行重建 [65]。表 4 总结了空间波束整形。
4. 超快脉冲激光束整形的应用
超快脉冲激光器由于其独特的时间特性，包括飞秒或皮秒量级的极短脉冲持续时间，已经彻底改变了科学、工程、医学和技术的众多领域。这些激光器可在各个学科中得到应用，实现精确、高效和多功能的激光加工[65\u201266]。Sahoo et al. 综述了在牙科中使用超短脉冲激光图案化在氧化锆上增强对树脂基体粘接剂的粘附力，得出的结论是，与传统方法相比，这种技术提高了粘合强度并避免了表面缺陷 [67,68\u201269]。Rodriguez等人提出了一种6自由度机器人辅助激光烧蚀系统，用于使用超短脉冲激光在复杂的3D表面上自动去除油漆，展示了在处理弯曲几何形状时提高的精度和效率，同时最大限度地减少了表面损伤[70]。Outon等人研究了用超短激光脉冲产生的激光诱导周期性表面结构处理的纳米结构铁素体不锈钢的腐蚀行为，证明该处理在保持表面亮度的同时增强了耐腐蚀性[71]。
超快脉冲激光器支持先进的非线性光学成像和光谱技术，例如双光子显微镜、二次谐波产生成像和相干反斯托克斯拉曼光谱。这些技术可对生物组织、细胞和材料进行高分辨率的三维成像，具有深层组织穿透性、减少光损伤和增强对比度[71,72,73,74,75,76,77]。例如，Hadjichristov 等人使用双光子拉曼共振激光照射研究了光学透明聚合物（特别是聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯）的激光诱导光降解 [43]。
超快脉冲激光器对于研究物理、化学和材料科学中的超快动力学和过程是必不可少的。泵-探针光谱、时间分辨荧光光谱和瞬态吸收光谱等技术使用超快激光脉冲在飞秒到皮秒的时间尺度上探测和纵分子、电子和结构动力学[71]。
超快脉冲激光器可实现具有亚衍射极限分辨率的微纳米制造技术。应用包括微光学元件的制造、光子器件、微流体系统、纳米结构以及用于光子学、光电子学、生物技术和纳米技术应用的芯片实验室器件[78,79,80,81,82,83,84,85,86,87]。
在医学上，超快脉冲激光器用于先进的医学成像技术，例如 图 2 中的 OCT 和多光子显微镜。这允许对具有亚细胞细节的生物组织进行高分辨率、非侵入性成像。在激光手术中，超快脉冲激光可实现精确的组织消融、微创手术和治疗，减少附带损伤并加快愈合速度[88,89,90,91,92]。
超快脉冲激光器在量子计算、量子通信和量子密码学等量子技术中发挥着至关重要的作用。它们产生和纵光的量子态，创建纠缠光子对，并实现量子门和作[53,93,94,95]。这些应用突出了超快脉冲激光器在科学、工程、医学和技术等不同领域的多功能性、精度和效率。随着技术的进步和超快脉冲持续时间变得越来越短和更容易获得，这些激光器的潜在应用和优势不断扩大。
5. 超快脉冲激光器中光束整形的局限性
虽然超快脉冲激光器中的光束整形具有显著的优势，但它也存在一定的局限性。实施光束整形技术通常需要专门的光学器件，例如 SLM、DOE 或 HOE。这些组件可能很昂贵，并且可能需要复杂的对准和校准程序，从而增加了激光系统的总体成本和复杂性 [12,13,14,15,16,17,18,54,55,56,57,58,59,60]。
一些光束整形方法，例如涉及衍射或折射元件的方法，可能会在激光束中引入损耗，从而降低能源效率。对于超快脉冲激光器，最大限度地减少能量损失对于保持高峰值功率和实现所需的材料加工效果至关重要。光束整形元件，特别是用于空间调制的元件，可以将色散和像差引入激光束。这些效应可能会扭曲超快脉冲的时间和空间轮廓，从而影响激光加工应用的质量和精度。某些光束整形技术，例如基于光栅的脉冲拉伸/压缩，可以改变超快激光脉冲的时间分布。考虑高达二阶的透镜色散以获得易于使用的公式。使用这个公式，我们设计了一种用于近红外飞秒激光脉冲的折射-衍射三重态。虽然这对于特定应用可能是可取的，但它也会引入脉冲展宽或时间啁啾，从而影响与材料的相互作用动力学[96,97,98,99,100,101,102,103]。Amako等人提出了一种折射-衍射混合透镜的基线设计方案，旨在聚焦超短激光脉冲，同时最大限度地减少时空畸变，证明了这种透镜校正色差和时间像差的能力[96]。Grunwald 探索了时空光束整形和超短脉冲激光器表征的技术，重点是使用薄膜微光学和自相关方法实现高分辨率空间映射和脉冲表征 [97]。
一些光束整形方法在可以生成的光束轮廓范围或适应不同加工要求的灵活性方面可能存在固有的局限性。这种多功能性的缺乏会限制光束整形技术在各种激光加工任务中的适用性。波束整形组件，尤其是基于相位调制或干涉效应的组件，可能对温度变化、机械振动和空气湍流等环境因素很敏感。这些外部影响可能会降低波束整形系统的性能和稳定性，因此需要仔细的环境控制[104,105,106,107,108]。
将光束整形技术扩展到高功率或工业级超快脉冲激光系统可能会带来挑战。热管理、光学损伤阈值和光束整形元件的可扩展性等因素可能会限制它们在大规模激光加工装置中的实际实施。解决这些限制需要持续的研发工作，以提高光束整形技术在超快脉冲激光器中的效率和稳健性，从而释放其在广泛应用中的全部潜力。
. 结论
在本文中，我们回顾了当前关于通过时间和空间调制调制超快激光束的文献。超快激光束整形为科学、工业和医疗应用提供了许多优势。通过精确控制超快激光脉冲的空间、时间和光谱特性，光束整形显著提高了基于激光的工艺的性能和效率。
超快激光束整形能够将激光能量精确分布在特定图案或焦点区域，促进高精度材料加工，同时最大限度地减少对周围区域的损害。通过更精确地聚焦能量，光束整形增强了激光与目标材料之间的相互作用，从而提高了微加工和激光手术等过程的效率。
光束整形可以显著减少热影响区，并最大限度地减少材料烧蚀过程中的热损伤，从而在半导体制造、3D 微加工和基于激光的纹理加工等应用中实现更清晰的切割并提高质量。通过定制脉冲形状，用户可以优化向材料的能量传输，在保持高精度的同时提高加工速度。这些功能使超快激光器特别适合高通量工业应用。
光束整形可以提高谐波产生和多光子激发等非线性过程的效率，这对于生物成像（例如多光子显微镜）和光通信系统等应用至关重要。在高强度场景中，光束整形在控制非线性自聚焦引起的激光成丝方面起着关键作用，使其在大气科学和激光制导防雷等领域特别有用。
超快脉冲的时间整形范围从飞秒到皮秒，可以精确控制与材料或生物组织的相互作用持续时间，最大限度地减少损伤并优化医用激光应用的治疗效果。通过调整脉冲啁啾（频率随时间变化），可以增强能量沉积，从而提高基于激光的特定工艺的效率。在显微镜中，光束整形可以提高分辨率和对比度，尤其是在结构照明显微镜和全息成像等先进技术中。优化的脉冲形状还提高了多光子激发的效率，从而提高了生物成像和荧光技术的信噪比。
在光通信系统中，具有异形光束的超快激光器通过最大限度地减少脉冲重叠和干扰，实现更快、更高效的数据传输。同样，在自适应光学中，整形激光波前可以补偿光学像差，提高激光制导系统的精度并提高望远镜的成像质量。
总之，超快激光束整形提高了各种激光应用的精度、效率和控制力，推动了科学、工业和医疗保健的进步。超快激光脉冲能够微调空间、时间和光谱特性，使光束整形高度适用于各种应用，包括医疗诊断、外科手术、激光焊接和微加工。
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