高功率皮秒激光器關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

高功率皮秒以其高峰值功率、窄脈沖寬度(10-12s),在材料精細(xì)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(duì)于傳統(tǒng)納秒(10-9s)，采用皮秒材料，具有加工精度高、熱效應(yīng)極小、加工邊緣無毛刺等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于(10-15s)，皮秒激光也有不少優(yōu)勢(shì)，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(duì)簡(jiǎn)單，因此成本效益更高，性能更可靠。同時(shí)，皮秒脈沖仍短到足以應(yīng)付非常精確和無應(yīng)力的微細(xì)加工。

目前國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谄っ爰す馄鞯男枨罅亢艽?，一年要?00臺(tái)以上，大部分依賴于進(jìn)口，價(jià)格昂貴，維護(hù)也非常麻煩。國(guó)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(chǎng)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(dá)到微焦，甚至亞毫焦量級(jí)，而鎖模種子激光器的頻率達(dá)到MHz以上，種子的單脈沖能量通常為nJ量級(jí)，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(shí)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(gè)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，脈沖再經(jīng)過單級(jí)或者多級(jí)放大實(shí)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(zhǎng)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(shí)，為了滿足10000小時(shí)的使用壽命，需要對(duì)可飽和吸收鏡頻繁換點(diǎn)。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(huì)長(zhǎng)很多，即使可飽和吸收鏡不換點(diǎn)，其壽命也可以達(dá)到10000小時(shí)以上。除此之外，光纖種子源還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，性能穩(wěn)定，基本免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)。皮秒放大器的難點(diǎn)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(gè)維度，對(duì)三種放大器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。

光纖放大器優(yōu)點(diǎn)是輸出功率高，放大增益高(>109)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，制作成本相對(duì)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(diǎn)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(duì)脈沖時(shí)序要求非常嚴(yán)格，同時(shí)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(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jí)放大增益小，一般可以達(dá)到103-104，但是可以通過增加放大級(jí)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(jìn)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(dòng)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(dòng)和溫控技術(shù)決定泵浦光的功率和波長(zhǎng)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(shí)間，同時(shí)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(yùn)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(shí)時(shí)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(tái)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(shí)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(jìn)的控制系統(tǒng)，激光器集成遠(yuǎn)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(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，滿足工業(yè)客戶24/7應(yīng)用。

50W皮秒激光器(Amber IR-50)

附圖1：50W皮秒激光器Amber IR-50 500小時(shí)拷機(jī)功率曲線：

附圖2：50W皮秒激光器Amber IR-50 光束質(zhì)量測(cè)試：