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高功率超快(皮秒)激光器的幾個關(guān)鍵技術(shù)淺析

深圳市科瑞特自動化技術(shù)有限公司 ? 2023-09-27 08:08 ? 次閱讀

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。相對于飛秒激光(10-15s),皮秒激光也有不少優(yōu)勢,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)相對簡單,因此成本效益更高,性能更可靠。同時,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口,價格昂貴,維護也非常麻煩。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,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,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)過單級或者多級放大實現(xiàn)高單脈沖能量輸出。主要關(guān)鍵技術(shù)如下:

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— 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,為了滿足10000小時的使用壽命,需要對可飽和吸收鏡頻繁換點。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,使用壽命會長很多,即使可飽和吸收鏡不換點,其壽命也可以達(dá)到10000小時以上。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,基本免維護等優(yōu)點,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現(xiàn)。皮秒放大器的難點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,對脈沖時序要求非常嚴(yán)格,同時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,缺陷是單級放大增益小,一般僅達(dá)到103-104,但是可以通過增加放大級數(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)的實現(xiàn)目前主要有兩種方式:AOM和EOM。其實質(zhì)基本類似,都是通過晶體的非線性效應(yīng)實現(xiàn)對種子脈沖的選擇性拾取。如下簡單介紹使用AOM實現(xiàn)選脈沖的基本原理。

聲光的基本原理:

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選脈沖的實現(xiàn):

05cd86a8-5cca-11ee-9788-92fbcf53809c.jpg

— 先進控制技術(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)可以實時調(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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