現(xiàn)在，各種激光器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工和醫(yī)療領(lǐng)域，而超快光纖激光器作為高端微納加工和生命科學(xué)領(lǐng)域的理想光源，正逐漸引發(fā)市場(chǎng)的高度關(guān)注。

飛秒激光脈沖在微加工中具有許多獨(dú)特的加工優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：

▲飛秒激光加工的組織中沒(méi)有熔融區(qū)，沒(méi)有重鑄層，不產(chǎn)生微裂紋。這是飛秒加工的最重要特征。它避免了熱熔化的存在，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)意義上的“冷”加工，大大減弱和消除了傳統(tǒng)加工中熱效應(yīng)帶來(lái)的諸多負(fù)面影響。

▲飛秒激光加工精度高，不受光的衍射極限的限制，具有很高的空間分辨性。

▲飛秒激光加工對(duì)材料沒(méi)有選擇和限制性，可以對(duì)任何材料進(jìn)行精細(xì)加工、修復(fù)和處理。

▲飛秒激光加工需要的脈沖能量閥值極低，一般只有毫焦耳量級(jí)，這決定了加工的能量低耗性。

▲加工過(guò)程不產(chǎn)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞的沖擊波，不損壞臨界的結(jié)構(gòu)組織。

與固體飛秒激光器相比，光纖飛秒激光器有諸多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、高集成、高穩(wěn)定、免維護(hù)、免調(diào)試；高增益、低閾值、高轉(zhuǎn)換效率；散熱性能良好；高光束質(zhì)量。光纖激光器是實(shí)用化激光光源的重要方向。

摻鐿(Yb)增益光纖非常適合于中心波長(zhǎng)在1微米的光纖激光器（圖1）。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：能用半導(dǎo)體激光泵浦（860-1,050nm）；寬增益帶（970-1,200nm）；高飽和能量（35 J/cm2）；高泵浦效率；無(wú)激發(fā)態(tài)吸收等。



傳統(tǒng)的激光放大采用直接的行波放大，而對(duì)超短激光脈沖來(lái)說(shuō)，隨著能量的提高，其峰值功率將很快增加，并出現(xiàn)各種非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng)，從而限制了能量的進(jìn)一步放大。

啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）是飛秒激光脈沖放大的必要手段。CPA技術(shù)的原理是，在維持光譜寬度不變的情況下通過(guò)色散元件將脈沖展寬好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，形成所謂的啁啾脈沖。這樣，在放大過(guò)程中，即使激光脈沖的能量增加很快，其峰值功率也可以維持在較低水平，從而避免出現(xiàn)非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng)，保證激光脈沖能量的穩(wěn)定增長(zhǎng)。當(dāng)能量達(dá)到飽和放大可獲得的能量之后，借助與脈沖展寬時(shí)色散相反的元件將脈沖壓縮到接近原來(lái)的寬度，即可使峰值功率大大提高（圖2）。



實(shí)用化的光纖飛秒激光器如圖3所示。它由光纖鎖模振蕩器、光纖脈沖展寬器、光纖功率放大器及光柵脈沖壓縮器構(gòu)成。在固體飛秒激光器中常用的體光柵脈沖展寬器，由于體積大、穩(wěn)定性差、難耦合進(jìn)單模光纖，并不適合用于光纖飛秒激光器。如果單模保偏光纖能夠用作脈沖展寬器，這些問(wèn)題就會(huì)得到解決。但是通常情況下，單模保偏光纖和體光柵脈沖壓縮器都有正的三階色散，不能相互補(bǔ)償，因此脈沖壓縮效果很差。直到利用由功率放大器產(chǎn)生的非線性相位移動(dòng)來(lái)補(bǔ)償光纖脈沖展寬器和光柵壓縮器的3階色散，適合于工業(yè)/醫(yī)療應(yīng)用的穩(wěn)定可靠的光纖飛秒激光器才得以實(shí)現(xiàn)[1]。



鎖模是激光器產(chǎn)生超短脈沖的重要技術(shù)。激光器光腔內(nèi)存在多種模式的激光脈沖，當(dāng)這些模式相互間的相位實(shí)現(xiàn)相長(zhǎng)干涉時(shí)才產(chǎn)生激光超短脈沖或稱鎖模脈沖輸出。鎖模一般分為兩類：一類是主動(dòng)鎖模，另一類是被動(dòng)鎖模。前者是從外部向激光器輸入信號(hào)周期性地調(diào)制激光器的增益或損耗，達(dá)到鎖模；后者則采用飽和吸收器(例如一片薄的半導(dǎo)體膜)，利用其非線性吸收達(dá)到鎖定相對(duì)相位，產(chǎn)生超短脈沖輸出。

激光器鎖模的基本原理是將滿足起振條件的各個(gè)縱模的相對(duì)相位以某種形式進(jìn)行鎖定，在時(shí)間坐標(biāo)軸上來(lái)看，在某些時(shí)刻上，所有的振蕩模式都同時(shí)到達(dá)振幅最大的位置，相干疊加形成周期性的、強(qiáng)度極大提高的超短脈沖序列（圖4）。這種鎖模脈沖序列也可以理解為時(shí)間域上的相干亮條紋。



光纖脈沖展寬器（圖5）將脈沖寬度展寬到>500ps。這里是用了啁啾光纖光柵的色散來(lái)展寬飛秒鎖模光纖振蕩器的輸出脈沖，飛秒鎖模光纖振蕩器的輸出光譜寬度在15nm左右。



在功率放大器中，丹麥NKT Photonics公司的光子晶體光纖DC-200/40-PZ-Yb可用于數(shù)十微焦耳的飛秒光纖激光器（圖6）。這個(gè)光子晶體光纖的模場(chǎng)直徑達(dá)到31μm，雖然比普通單模光纖的芯徑大很多，但得益于其特有的光纖結(jié)構(gòu)，仍然可以保證基模輸出。



脈沖壓縮技術(shù)中常用的是平行光柵對(duì)壓縮器。它讓光束的長(zhǎng)波長(zhǎng)部分比短波長(zhǎng)部分通過(guò)更長(zhǎng)的光程。這種壓縮器在適當(dāng)?shù)拈g隔引入了負(fù)色散，其結(jié)構(gòu)緊湊。脈沖壓縮器采用雙光程結(jié)構(gòu)以消除空間啁啾對(duì)光束質(zhì)量的影響。光平均功率的損耗在50%以下。



為了獲得脈沖能量和平均功率更高的光纖飛秒激光器，我們需要：

? 更長(zhǎng)的被展寬脈沖；

? 更大孔徑的增益光纖；

? 盡可能短的增益光纖；

? 高階模損耗大的增益光纖；

? 更高衍射效率和損傷閾值的光柵。

丹麥NKT Photonics公司的光子晶體光纖aeroGAIN-ROD-PM85具有更大的模場(chǎng)直徑，達(dá)到65μm，長(zhǎng)度為80cm。它完全滿足更大孔徑的增益光纖、盡可能短的增益光纖、和高階模損耗大的增益光纖的技術(shù)要求。

光子晶體光纖aeroGAIN-ROD-PM85是一個(gè)棒狀光纖（圖8），它不能彎曲。所以這個(gè)放大器的制作工藝顯得尤為重要。需要考慮機(jī)械穩(wěn)定性，散熱的有效性，以及制作的相對(duì)容易程度。



同時(shí)也需要衍射效率和損傷閾值更高的光柵。可以選擇表面鍍高反介質(zhì)膜的光柵（圖9）。



通過(guò)制作工藝的積累，關(guān)鍵器件的設(shè)計(jì)和選擇，就可以制造出工業(yè)級(jí)的高功率飛秒光纖激光器。通過(guò)實(shí)現(xiàn)核心器件的國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)和批量供應(yīng)，飛秒光纖激光器必將達(dá)到世界先進(jìn)水平，并打破國(guó)外壟斷，滿足工業(yè)高產(chǎn)出率和高質(zhì)量的要求，帶動(dòng)超快激光微加工上下游技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，服務(wù)中國(guó)制造2025。

參考文獻(xiàn)：

[1] “High energy fiber chirped pulse amplification system based on cubicons,” CLEO 2005, paper CThG4; Optics Express 13, 4717 (2005).

作者：劉振林，武漢華銳超快光纖激光有限公司