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      高功率超快(皮秒)激光器的幾個關鍵技術淺析
      材料來源:安特激光           錄入時間:2023/9/25 20:04:32

      高功率皮秒激光器以其高峰值功率、窄脈沖寬度(10-12s),在材料精細加工、LED芯片劃片、太陽能光伏,科學研究等領域得到了廣泛的應用。相對于傳統納秒激光(10-9s),采用皮秒激光加工材料,具有加工精度高、熱效應極小、加工邊緣無毛刺等優點。相對于飛秒激光(10-15s),皮秒激光也有不少優勢,由于不需要為了放大而展寬和壓縮脈沖,皮秒激光器結構相對簡單,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付非常精確和無應力的精細加工。

      目前國內工業領域對于皮秒激光器的需求量很大,但是大部分依賴于進口,價格昂貴,維護也非常麻煩。國內少有的幾家提供皮秒激光器產品的公司,受限于產品穩定性問題,市場占有率較低。

      工業用高功率皮秒激光器單脈沖能量通常需要達到微焦,甚至亞毫焦量級,而鎖模種子激光器的頻率達到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將種子頻率降低,然后通過高增益放大器實現高單脈沖能量輸出。皮秒激光器工作原理如下圖所示,結構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制器,選出kHz激光脈沖,脈沖再經過單級或者多級放大實現高單脈沖能量輸出。主要關鍵技術如下:

      — 皮秒種子源技術 —

      種子源技術是皮秒激光器的核心技術,種子源的性能直接決定皮秒激光器的穩定性和可靠性,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的關鍵。種子激光器一般分基于半導體泵浦技術的固體種子和基于光纖技術的光纖種子兩種。固體種子存在結構復雜、體積大、成本高、穩定性差等缺陷,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,其壽命也可以達到10000小時以上。除此之外,光纖種子源還具有結構簡單,制作成本低,性能穩定,基本免維護等優點,因此已經成為各大激光器供應商的首選。

      — 皮秒放大器技術 —

      為了獲得大單脈沖能量輸出,種子脈沖需要經過高增益放大器放大來實現。皮秒放大器的難點在于如何控制放大后激光的光束質量以及如何避免放大器內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。

      光纖放大器優點是輸出功率高,放大增益高(>109),結構簡單穩定,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,缺陷是放大腔結構復雜,對脈沖時序要求非常嚴格,同時需要加入電光腔倒空功能,制作難度大,成本高,穩定性不容易控制。

      多程行波放大器的優點是,結構簡單,穩定可靠,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,一般僅達到103-104,但是可以通過增加放大級數來獲得較高的增益。

      — 選脈沖技術 —

      除了種子源和放大技術外,皮秒激光器還有一項關鍵的技術,即種子源選脈沖技術(Puls Picking)。如上述皮秒激光器的原理圖所示,選脈沖技術的實現目前主要有兩種方式:AOM和EOM。其實質基本類似,都是通過晶體的非線性效應實現對種子脈沖的選擇性拾取。如下簡單介紹使用AOM實現選脈沖的基本原理。

      聲光的基本原理:

      選脈沖的實現:

      — 先進控制技術 —

      除了種子源和放大器技術以外,皮秒激光器關鍵技術還包含泵浦源驅動和溫控技術、脈沖同步技術、數據記錄技術,功率調節和監控技術等。

      泵浦源驅動和溫控技術決定泵浦光的功率和波長穩定性,從而直接影響輸出激光脈沖的穩定性。數據記錄技術可以了解激光器運行中的所有數據變化情況,從而跟蹤激光器的使用狀態。功率調節和監控技術可以實時調節和監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光纖耦合聲光調制器的基本參數如下:圖片

      轉自:安特激光

      注:文章版權歸原作者所有,本文僅供交流學習之用,如涉及版權等問題,請您告知,我們將及時處理。


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