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高功率皮秒激光器关键技术简介

导读: 高功率皮秒激光器以其高峰值功率、窄脉冲宽度(10-12s),在材料精细微加工、LED芯片划片、太阳能光伏,科学研究等领域得到了广泛的应用。

高功率皮秒激光器以其高峰值功率、窄脉冲宽度(10-12s),在材料精细微加工、LED芯片划片、太阳能光伏,科学研究等领域得到了广泛的应用。相对于传统纳秒激光(10-9s),采用皮秒激光加工材料,具有加工精度高、热效应极小、加工边缘无毛刺等优点。相对于飞秒激光(10-15s),皮秒激光也有不少优势,由于不需要为了放大而展宽和压缩脉冲,皮秒激光器结构相对简单,因此成本效益更高,性能更可靠。同时,皮秒脉冲仍短到足以应付非常精确和无应力的微细加工。

目前国内工业领域对于皮秒激光器的需求量很大,一年要在800台以上,大部分依赖于进口,价格昂贵,维护也非常麻烦。国内有几家提供皮秒激光器产品,受限于稳定性问题,市场占有率较低。

工业用高功率皮秒激光器单脉冲能量通常需要达到微焦,甚至亚毫焦量级,而锁模种子激光器的频率达到MHz以上,种子的单脉冲能量通常为nJ量级,为了获得高的单脉冲能量,可以通过选脉冲技术将种子频率降低,然后通过高增益放大器实现高单脉冲能量输出。皮秒激光器工作原理如下图所示,结构主要包括种子激光器,选脉冲单元和放大器三个部分。MHz高频种子光脉冲通过声光或者电光调制器,选出kHz激光脉冲,脉冲再经过单级或者多级放大实现高单脉冲能量输出。主要关键技术如下:

皮秒种子源技术:

种子源技术是皮秒激光器的核心技术,种子源的性能直接决定皮秒激光器的稳定性和可靠性,皮秒激光器最不容易控制和出故障最多的地方就是种子激光器,如何延长可饱和吸收镜的使用寿命成为种子源技术的关键。种子激光器一般分基于半导体泵浦技术的固体种子和基于光纤技术的光纤种子两种。固体种子存在结构复杂,体积大,成本高,稳定性差等缺陷,其用于锁模的可饱和吸收镜承受较高功率和热量,寿命通常小于1500小时,为了满足10000小时的使用寿命,需要对可饱和吸收镜频繁换点。相比之下,光纤种子源可饱和吸收镜上承受的功率和热量低很多,使用寿命会长很多,即使可饱和吸收镜不换点,其寿命也可以达到10000小时以上。除此之外,光纤种子源还具有结构简单,制作成本低,性能稳定,基本免维护等优点,因此已经成为各大激光器供应商的首选。

皮秒放大器技术:

为了获得大单脉冲能量输出,种子脉冲需要经过高增益放大器放大来实现。皮秒放大器的难点在于如何控制放大后激光的光束质量以及如何避免放大器内部器件因承受高峰值功率而损坏。高增益放大器有三种:光纤放大器、再生放大器以及多程行波放大器。下表从几个维度,对三种放大器的优缺点进行对比。

光纤放大器优点是输出功率高,放大增益高(>109),结构简单稳定,制作成本相对较低,缺陷是受光纤非线性影响,无法获得高单脉冲能量输出,通常小于10uJ。

再生放大器优点是,放大器增益高,很容易获得>200uJ单脉冲能量输出,缺陷是放大腔结构复杂,对脉冲时序要求非常严格,同时需要加入电光腔倒空功能,制作难度大,成本高,稳定性不容易控制。

多程行波放大器的优点是,结构简单,稳定可靠,制作成本低,很容易获得高功率高单脉冲能量输出,缺陷是单级放大增益小,一般可以达到103-104,但是可以通过增加放大级数来获得需要增益,目前绝大多数的激光器厂商采用这种放大器。

先进控制技术:

除了种子源和放大器技术以外,皮秒激光器关键技术还包含泵浦源驱动和温控技术、选脉冲技术、脉冲同步技术、数据记录技术,功率调节和监控技术等。

泵浦源驱动和温控技术决定泵浦光的功率和波长稳定性,从而直接影响输出激光脉冲的稳定性。选脉冲技术需要调制器具有<10ns上升和下降时间,同时要考虑脉冲同步问题,避免脉冲被削掉。数据记录技术可以了解激光器运行中的所有数据变化情况,从而跟踪激光器的使用状态。功率调节和监控技术可以实时调节和监控激光器的输出功率,因此在激光加工过程中必不可少。

贝林激光皮秒激光器:

贝林激光自2013年推出首款皮秒激光器以来,已经有超过500台皮秒激光器用于工业加工领域。2017年初推出新一代Amber系列皮秒激光器产品,该产品采用皮秒光纤种子源配合多程行波放大器实现高峰值功率皮秒激光输出,产品覆盖皮秒红外功率1-50W,皮秒绿光功率1-25W。皮秒脉冲宽度<15ps,光束质量M^2<1.3。Amber系列激光器配备先进的控制系统,激光器集成远程诊断,数据记录,功率调节和监控等功能,确保激光器长时间稳定运行,满足工业客户24/7应用。

50W皮秒激光器(Amber IR-50)

附图1:50W皮秒激光器Amber IR-50 500小时拷机功率曲线:

附图2:50W皮秒激光器Amber IR-50 光束质量测试:

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