未來已來,超快激光的進階之路
發布人:新特光電 時間:2019-12-21 關注:

中國傳統制造業正面臨深度轉型和升級,激光技術在消費電子、新型顯示、激光內雕、生物醫療等領域獲得了越來越多的應用,這些新的需求對激光加工精細度的要求變得更加苛刻。超快激光加工技術與傳統激光技術相比具有很多優點,加工精度高,應用范圍廣泛,無明顯熱效應。我國超快激光器行業處于快速成長階段,國內主要企業開始展開在超快激光領域的布局,有望較快占領國內市場并實現出口。

超快激光-激光器家族的年輕成員

按照輸出形式分類,超快激光屬于超短脈沖。在工業上,通常將激光分成連續波、準連續、 短脈沖、超短脈沖四類。連續波以多模連續光纖激光器為代表,占據了當前工業市場的大部分份額。準連續波又稱長脈沖,可產生ms~μs量級的脈沖,占空比為 10%,這使得脈沖光具有比連續光高十倍以上的峰值功率。短脈沖指的是ns量級的脈沖,廣泛的應用 于激光標刻、鉆孔、醫療、激光測距、二次諧波的產生、軍事等領域。超短脈沖則是我們所說的超快激光,包括達到ps、fs 量級的脈沖激光。

超快激光的進階之路

所謂超快激光,是指脈沖寬度在皮秒(ps,-s)量級及以下的脈沖激光。納秒、皮秒、飛秒都是時間單位,1ns=10-9s,1ps=10-12s,1fs=10-15s。這個時間單位,表示 的是一個激光脈沖的脈沖寬度,簡言之就是在如此短暫的時間內輸出一個脈沖激光。由于其輸出單脈沖時間非常非常短,因此這樣的激光稱為超快激光。

激光技術誕生以來,超快激光就是激光研究的重點。1960年,第一臺激光器--紅寶石激光器問世為超快過程的研究打開了門戶,隨后出現的調 Q 技術和鎖模技術使得超快激光取得了長足進步。20 世紀 80 年代,超快光譜學發生了革命性的變化。對撞脈沖鎖模(CPM)的 概念引入了染料激光器,皮秒激光脈沖被壓縮到了飛秒(fs)時域,產生了100 fs 的脈沖。但是克爾效應導致的自聚焦及元件損傷的問題限制了超寬激光的進一步發展。直到1985年 CPA 技術的出現,解決了這一難題,成為了超快激光發展史上的里程碑。

最先技術-調 Q 技術

調Q技術與鎖模技術是超快激光普遍采用的技術。所謂調Q就是指調節激光器的Q值的技術。在激光器泵浦的初期,把諧振腔的Q值調得很低,使激光器暫時不滿足振蕩條件,在泵浦脈沖的激勵下獲得很高 的粒子數密度時,再迅速調大諧振腔的Q值,此時反轉粒子數密度遠大于閾值反轉粒子數密度,激光振蕩迅速建立并達到很高的峰值功率,同時反轉粒子數迅速被耗盡,脈沖很快結束,這樣就獲得了具有窄脈沖寬度和大峰值功率的激光脈沖。利用調Q技術能夠建立納秒脈沖的輸出。

重要技術-鎖模技術

鎖模是激光器產生超短脈沖的重要技術。激光器光腔內存在多種模式的激光脈沖,當這些模式相互間的相位實現相長干涉時才產生激光超短脈沖或稱鎖模脈沖輸出。鎖模一般分為兩類:一類是主動鎖模,另一類是被動鎖模。前者是從外部向激光器輸入信號周期性地調制激光器的增益或損耗,達到鎖模;后者則采用飽和吸收器,利用其非線性吸收達到鎖定相對相位,產生超短脈沖輸出。

革命性技術-CPA 技術

鎖模技術出現以后,利用鎖模技術產生具有皮秒及飛秒脈寬的超短脈沖激光,這類脈沖激光不僅可以用來研究觀察分子、原子等微觀世界粒子的超快動力學行為,揭示掩蓋在瞬態過程中的科學現象與規律,而且比納秒乃至微秒等長脈沖激光具有高數個量級的峰值功率。因此進一步放大超短脈沖激光,是產生高峰值功率激光的當然選擇。但隨著激光峰值功率的提高,人們面臨的一個重要問題是激光在達到放大飽和前,就由于強度依賴的克爾效應導致的自聚焦及元件損傷,正是由于該原因,激光強度的進一步發展遭遇了巨大瓶頸。直到1985年,當時在美國羅切斯特大學工作的Gérard Mouro教授和他的博士生Donna Strickland 巧妙地提出了啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)的概念,從而有效解決了這一矛盾,引發了激光峰值功率的飛躍。

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