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超快激光器

有關(guān)高功率皮秒激光器那點兒事

Nick 來源:蘇州貝林激光有限公司2017-08-04 我要評論(0 )   

導(dǎo)讀高功率皮秒激光器以其高峰值功率、窄脈沖寬度(10-12s),在材料精細微加工、LED芯片劃片、太陽能光伏,科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了

 導(dǎo)讀

    高功率皮秒激光器以其高峰值功率、窄脈沖寬度(10-12s),在材料精細微加工、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)力的微細加工。

 


    目前國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谄っ爰す馄鞯男枨罅亢艽螅荒暌?00臺以上,大部分依賴于進口,價格昂貴,維護也非常麻煩。國內(nèi)有幾家提供皮秒激光器產(chǎn)品,受限于穩(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(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:

 
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。下表從幾個維度,對三種放大器的優(yōu)缺點進行對比。

    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,很容易獲得高功率高單脈沖能量輸出,缺陷是單級放大增益小,一般可以達到103-104,但是可以通過增加放大級數(shù)來獲得需要增益,目前絕大多數(shù)的激光器廠商采用這種放大器。

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)、選脈沖技術(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。選脈沖技術(shù)需要調(diào)制器具有<10ns上升和下降時間,同時要考慮脈沖同步問題,避免脈沖被削掉。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。

貝林激光皮秒激光器:

    貝林激光自2013年推出首款皮秒激光器以來,已經(jīng)有超過500臺皮秒激光器用于工業(yè)加工領(lǐng)域。2017年初推出新一代Amber系列皮秒激光器產(chǎn)品, 該產(chǎn)品采用皮秒光纖種子源配合多程行波放大器實現(xiàn)高峰值功率皮秒激光輸出,產(chǎn)品覆蓋皮秒紅外功率1-50W,皮秒綠光功率1-25W。皮秒脈沖寬度<15ps,光束質(zhì)量M^2<1.3。Amber系列激光器配備先進的控制系統(tǒng),激光器集成遠程診斷,數(shù)據(jù)記錄,功率調(diào)節(jié)和監(jiān)控等功能,確保激光器長時間穩(wěn)定運行,滿足工業(yè)客戶24/7應(yīng)用。


 
附圖1:50W皮秒激光器Amber IR-50 500小時拷機功率曲線:
 
附圖2:50W皮秒激光器Amber IR-50 光束質(zhì)量測試:

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皮秒激光器種子源
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