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飞秒光纤激光器为材料加工提供新途径

导读: 光纤激光器使用稀土掺杂光纤作为激活介质,用激光二极管作泵浦源,本身固有一些关键优势,使它们在通过锁模产生超短脉冲方面颇具吸引力。

光纤激光器使用稀土掺杂光纤作为激活介质,用激光二极管作泵浦源,本身固有一些关键优势,使它们在通过锁模产生超短脉冲方面颇具吸引力。掺杂光纤的高增益带宽和效率,允许制造相对便宜、紧凑、坚固的光纤激光器系统,这些系统提供适合广泛应用的光纤耦合输出光束。

飞秒架构

光纤提供较高的表面积 - 体积比,从而可实现有效的冷却,并且可以根据特定性能参数进行定制。光纤激光器最初仅限于连续波(CW)、低功率、单模运行 ;经过了三十多年的发展,现在光纤激光器已经能够实现单模和多模运行,波长范围覆盖紫外(UV)到远红外(far-IR)波段,并且能提供非常高的功率水平、可变的重复频率,以及(也许的最显著的)毫秒到飞秒级的脉宽。

不同于传统的自由空间激光器,光纤激光器采用光纤和光纤布拉格光栅(FBG),后者取代了常规的介质反射镜,用于光学反馈。大多数高功率光纤激光器采用双包层光纤架构,其中增益介质在光纤的纤芯,由两层包层包围。来自激光二极管或另一个光纤激光器的多模泵浦光束,在内包层中传播并受到外包层的约束,激发激活介质,并产生在光纤纤芯中传播的激射模式。

为了产生超快激光脉冲,需要采用主动或被动锁模技术。今天用于被动锁模的一些技术,包括非线性偏振旋转和饱和吸收技术,而电光或声光调制器用于主动锁模。

在半导体可饱和吸收镜(SESAM)中,半导体量子阱生长在半导体分布式布拉格反射器上,SESAM 已成功地用于制造工作在1.0μm 和 1.5μm 波长处的飞秒光纤激光器。通过采用石墨烯可饱和吸收体的掺铒(Er)光纤激光器,已经展示了自启动锁模和稳定的孤子脉冲产生。这些只是商业激光器制造商正在采用的几种飞秒光纤激光器架构,以满足各种科学和工业应用。

非线性锁模

对于可重复的长期稳定运行,德国Menlo Systems公司的“figure 9”技术采用行之有效的非线性光学环镜(NOLM)锁模机制。振荡器和放大器均只使用保偏光纤组件,实现高稳定性和低噪声,运行免维护。

Menlo的掺铒光纤激光器在中心波长1560nm和780nm处具有宽带增益,提供标准和高功率型号,在50~250MHz 的重复频率范围内,具有 <90fs 的脉宽。Menlo 的掺镱(Yb)Orange飞秒光纤激光器,工作在1040nm 和 520nm 波长处,平均功率>10W,并提供 <150fs 的脉宽。作为一家光学频率梳开发商,Menlo 的所有激光器系统均能够以高精度同步。这些系统广泛用于光谱学、显微、计量、引力观测和材料加工领域。

BlueCut 包含一个振荡器、一个配备脉冲拾取单元的放大器,以及用于高能量短脉冲的压缩器,是 Menlo的工业级微焦耳光纤激光器系统。基于全光纤集成技术,该系统坚固、稳定,可用于微加工应用(见图 1)。

光纤CPA

基于其光纤啁啾脉冲放大(FCPA)技术,美国IMRA America公司的 FCPA μJewel 系列,由具有足够脉冲能量的掺镱光纤激光器组成,甚至在1045nm 波长处(见图 2)。FCPA 架构允许用户在两种模式下进行选择 :100kHz 或 200kHz 的重复频率、高达50μJ 的高能量模式 ;以及1MHz下10W和20W的高平均功率模式。该选择允许用户根据应用需求,以更快的速率进行材料加工。

IMRA 的拉曼频移技术,让掺铒拉曼频移飞秒光纤激光器在 810nm波长处,产生了干净的脉冲形状和光谱,从而使 Femtolite 光纤激光器能够替代钛蓝宝石(Ti:sapphire)激光器——这类激光器一直是临床和工业飞秒应用中的主力军。在 810nm 和1620nm 波长处,Femtolite 的功率范围覆盖 150~200mW,这在太赫兹波产生和探测、多光子荧光显微镜,以及二次谐波成像中非常有用。

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