高功率皮秒激光器關鍵技術簡介

高功率皮秒以其高峰值功率、窄脈沖寬度(10-12s),在材料精細微加工、LED芯片劃片、太陽能光伏，科學研究等領域得到了廣泛的應用。相對于傳統(tǒng)納秒(10-9s)，采用皮秒材料，具有加工精度高、熱效應極小、加工邊緣無毛刺等優(yōu)點。相對于(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，皮秒激光器結構相對簡單，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付非常精確和無應力的微細加工。

目前國內工業(yè)領域對于皮秒激光器的需求量很大，一年要在800臺以上，大部分依賴于進口，價格昂貴，維護也非常麻煩。國內有幾家提供皮秒激光器產品，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，結構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制器，選出kHz，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。主要關鍵技術如下：

皮秒種子源技術:

種子源技術是皮秒激光器的核心技術，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的關鍵。種子激光器一般分基于半導體泵浦技術的固體種子和基于光纖技術的光纖種子兩種。固體種子存在結構復雜，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構簡單，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商的首選。

皮秒放大器技術：

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量以及如何避免放大器內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)，結構簡單穩(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，缺陷是放大腔結構復雜，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，結構簡單，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：

除了種子源和放大器技術以外，皮秒激光器關鍵技術還包含泵浦源驅動和溫控技術、選脈沖技術、脈沖同步技術、數(shù)據(jù)記錄技術，功率調節(jié)和監(jiān)控技術等。

泵浦源驅動和溫控技術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。選脈沖技術需要調制器具有<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)。功率調節(jié)和監(jiān)控技術可以實時調節(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)加工領域。2017年初推出新一代Amber系列皮秒激光器產品，該產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小時拷機功率曲線：

附圖2：50W皮秒激光器Amber IR-50 光束質量測試：