高功率超快(皮秒)激光器的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)淺析

高功率皮秒激光器以其高峰值功率、窄脈沖寬度（10-12s）,在材料精細(xì)加工、LED芯片劃片、太陽能光伏，科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)納秒激光（10-9s），采用皮秒激光加工材料，具有加工精度高、熱效應(yīng)極小、加工邊緣無毛刺等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于飛秒激光（10-15s），皮秒激光也有不少優(yōu)勢(shì)，由于不需要為了放大而展寬和壓縮脈沖，皮秒激光器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，因此成本效益更高，性能更可靠。同時(shí)，皮秒脈沖仍短到足以應(yīng)付非常精確和無應(yīng)力的精細(xì)加工。

目前國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谄っ爰す馄鞯男枨罅亢艽?，但是大部分依賴于進(jìn)口，價(jià)格昂貴，維護(hù)也非常麻煩。國內(nèi)少有的幾家提供皮秒激光器產(chǎn)品的公司，受限于產(chǎn)品穩(wěn)定性問題，市場(chǎng)占有率較低。

工業(yè)用高功率皮秒激光器單脈沖能量通常需要達(dá)到微焦，甚至亞毫焦量級(jí)，而鎖模種子激光器的頻率達(dá)到MHz以上，種子的單脈沖能量通常為nJ量級(jí)，為了獲得高的單脈沖能量，可以通過選脈沖技術(shù)將種子頻率降低，然后通過高增益放大器實(shí)現(xiàn)高單脈沖能量輸出。皮秒激光器工作原理如下圖所示，結(jié)構(gòu)主要包括種子激光器，選脈沖單元和放大器三個(gè)部分。MHz高頻種子光脈沖通過聲光或者電光調(diào)制器，選出kHz激光脈沖，脈沖再經(jīng)過單級(jí)或者多級(jí)放大實(shí)現(xiàn)高單脈沖能量輸出。主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

— 皮秒種子源技術(shù) —

種子源技術(shù)是皮秒激光器的核心技術(shù)，種子源的性能直接決定皮秒激光器的穩(wěn)定性和可靠性，皮秒激光器最不容易控制和出故障最多的地方就是種子激光器，如何延長可飽和吸收鏡的使用壽命成為種子源技術(shù)的關(guān)鍵。種子激光器一般分基于半導(dǎo)體泵浦技術(shù)的固體種子和基于光纖技術(shù)的光纖種子兩種。固體種子存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高、穩(wěn)定性差等缺陷，其用于鎖模的可飽和吸收鏡承受較高功率和熱量，壽命通常小于1500小時(shí)，為了滿足10000小時(shí)的使用壽命，需要對(duì)可飽和吸收鏡頻繁換點(diǎn)。相比之下，光纖種子源可飽和吸收鏡上承受的功率和熱量低很多，使用壽命會(huì)長很多，即使可飽和吸收鏡不換點(diǎn)，其壽命也可以達(dá)到10000小時(shí)以上。除此之外，光纖種子源還具有結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，性能穩(wěn)定，基本免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)成為各大激光器供應(yīng)商的首選。

— 皮秒放大器技術(shù) —

為了獲得大單脈沖能量輸出，種子脈沖需要經(jīng)過高增益放大器放大來實(shí)現(xiàn)。皮秒放大器的難點(diǎn)在于如何控制放大后激光的光束質(zhì)量以及如何避免放大器內(nèi)部器件因承受高峰值功率而損壞。高增益放大器有三種：光纖放大器、再生放大器以及多程行波放大器。

光纖放大器優(yōu)點(diǎn)是輸出功率高，放大增益高（>109），結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，制作成本相對(duì)較低；缺陷是受光纖非線性影響，無法獲得高單脈沖能量輸出，通常小于10uJ。

再生放大器優(yōu)點(diǎn)是，放大器增益高，很容易獲得>200uJ單脈沖能量輸出，缺陷是放大腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)脈沖時(shí)序要求非常嚴(yán)格，同時(shí)需要加入電光腔倒空功能，制作難度大，成本高，穩(wěn)定性不容易控制。

多程行波放大器的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，制作成本低，很容易獲得高單脈沖能量輸出，缺陷是單級(jí)放大增益小，一般僅達(dá)到103-104，但是可以通過增加放大級(jí)數(shù)來獲得較高的增益。

— 選脈沖技術(shù) —

除了種子源和放大技術(shù)外，皮秒激光器還有一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，即種子源選脈沖技術(shù)（Puls Picking）。如上述皮秒激光器的原理圖所示，選脈沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)目前主要有兩種方式：AOM和EOM。其實(shí)質(zhì)基本類似，都是通過晶體的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)種子脈沖的選擇性拾取。如下簡單介紹使用AOM實(shí)現(xiàn)選脈沖的基本原理。

聲光的基本原理：

選脈沖的實(shí)現(xiàn)：

— 先進(jìn)控制技術(shù) —

除了種子源和放大器技術(shù)以外，皮秒激光器關(guān)鍵技術(shù)還包含泵浦源驅(qū)動(dòng)和溫控技術(shù)、脈沖同步技術(shù)、數(shù)據(jù)記錄技術(shù)，功率調(diào)節(jié)和監(jiān)控技術(shù)等。

泵浦源驅(qū)動(dòng)和溫控技術(shù)決定泵浦光的功率和波長穩(wěn)定性，從而直接影響輸出激光脈沖的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)記錄技術(shù)可以了解激光器運(yùn)行中的所有數(shù)據(jù)變化情況，從而跟蹤激光器的使用狀態(tài)。功率調(diào)節(jié)和監(jiān)控技術(shù)可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和監(jiān)控激光器的輸出功率，因此在激光加工過程中必不可少。

*英國Gooch&Housego公司紅外1064nm光纖耦合聲光調(diào)制器的基本參數(shù)如下：圖片

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