可用于微加工的超快光纤激光技术

现在，各种激光器已经被广泛应用于工业加工和医疗领域，而超快光纤激光器作为高端微纳加工和生命科学领域的理想光源，正逐渐引发市场的高度关注。
　　
　　飞秒激光脉冲在微加工中具有许多独特的加工优势，主要表现在：
　　
　　▲飞秒激光加工的组织中没有熔融区，没有重铸层，不产生微裂纹。这是飞秒加工的最重要特征。它避免了热熔化的存在，实现了相对意义上的“冷”加工，大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸多负面影响。
　　
　　▲飞秒激光加工精度高，不受光的衍射极限的限制，具有很高的空间分辨性。
　　
　　▲飞秒激光加工对材料没有选择和限制性，可以对任何材料进行精细加工、修复和处理。
　　
　　▲飞秒激光加工需要的脉冲能量阀值极低，一般只有毫焦耳量级，这决定了加工的能量低耗性。
　　
　　▲加工过程不产生导致结构损坏的冲击波，不损坏临界的结构组织。
　　
　　与固体飞秒激光器相比，光纤飞秒激光器有诸多优点：结构紧凑、高集成、高稳定、免维护、免调试；高增益、低阈值、高转换效率；散热性能良好；高光束质量。光纤激光器是实用化激光光源的重要方向。
　　
　　掺镱(Yb)增益光纤非常适合于中心波长在1微米的光纤激光器（图1）。其主要优点包括：能用半导体激光泵浦（860-1,050nm）；宽增益带（970-1,200nm）；高饱和能量（35 J/cm2）；高泵浦效率；无激发态吸收等。

　　
　　传统的激光放大采用直接的行波放大，而对超短激光脉冲来说，随着能量的提高，其峰值功率将很快增加，并出现各种非线性效应及增益饱和效应，从而限制了能量的进一步放大。
　　
　　啁啾脉冲放大技术（CPA）是飞秒激光脉冲放大的必要手段。CPA技术的原理是，在维持光谱宽度不变的情况下通过色散元件将脉冲展宽好几个数量级，形成所谓的啁啾脉冲。这样，在放大过程中，即使激光脉冲的能量增加很快，其峰值功率也可以维持在较低水平，从而避免出现非线性效应及增益饱和效应，保证激光脉冲能量的稳定增长。当能量达到饱和放大可获得的能量之后，借助与脉冲展宽时色散相反的元件将脉冲压缩到接近原来的宽度，即可使峰值功率大大提高（图2）。

　　
　　实用化的光纤飞秒激光器如图3所示。它由光纤锁模振荡器、光纤脉冲展宽器、光纤功率放大器及光栅脉冲压缩器构成。在固体飞秒激光器中常用的体光栅脉冲展宽器，由于体积大、稳定性差、难耦合进单模光纤，并不适合用于光纤飞秒激光器。如果单模保偏光纤能够用作脉冲展宽器，这些问题就会得到解决。但是通常情况下，单模保偏光纤和体光栅脉冲压缩器都有正的三阶色散，不能相互补偿，因此脉冲压缩效果很差。直到利用由功率放大器产生的非线性相位移动来补偿光纤脉冲展宽器和光栅压缩器的3阶色散，适合于工业/医疗应用的稳定可靠的光纤飞秒激光器才得以实现[1]。

锁模是激光器产生超短脉冲的重要技术。激光器光腔内存在多种模式的激光脉冲，当这些模式相互间的相位实现相长干涉时才产生激光超短脉冲或称锁模脉冲输出。锁模一般分为两类：一类是主动锁模，另一类是被动锁模。前者是从外部向激光器输入信号周期性地调制激光器的增益或损耗，达到锁模；后者则采用饱和吸收器(例如一片薄的半导体膜)，利用其非线性吸收达到锁定相对相位，产生超短脉冲输出。
　　
　　激光器锁模的基本原理是将满足起振条件的各个纵模的相对相位以某种形式进行锁定，在时间坐标轴上来看，在某些时刻上，所有的振荡模式都同时到达振幅最大的位置，相干叠加形成周期性的、强度极大提高的超短脉冲序列（图4）。这种锁模脉冲序列也可以理解为时间域上的相干亮条纹。

光纤脉冲展宽器（图5）将脉冲宽度展宽到>500ps。这里是用了啁啾光纤光栅的色散来展宽飞秒锁模光纤振荡器的输出脉冲，飞秒锁模光纤振荡器的输出光谱宽度在15nm左右。

　　
　　在功率放大器中，丹麦NKT Photonics公司的光子晶体光纤DC-200/40-PZ-Yb可用于数十微焦耳的飞秒光纤激光器（图6）。这个光子晶体光纤的模场直径达到31μm，虽然比普通单模光纤的芯径大很多，但得益于其特有的光纤结构，仍然可以保证基模输出。

脉冲压缩技术中常用的是平行光栅对压缩器。它让光束的长波长部分比短波长部分通过更长的光程。这种压缩器在适当的间隔引入了负色散，其结构紧凑。脉冲压缩器采用双光程结构以消除空间啁啾对光束质量的影响。光平均功率的损耗在50%以下。

　　
　　为了获得脉冲能量和平均功率更高的光纤飞秒激光器，我们需要：
　　
　　✔ 更长的被展宽脉冲；
　　
　　✔ 更大孔径的增益光纤；
　　
　　✔ 尽可能短的增益光纤；
　　
　　✔ 高阶模损耗大的增益光纤；
　　
　　✔ 更高衍射效率和损伤阈值的光栅。
　　
　　丹麦NKT Photonics公司的光子晶体光纤aeroGAIN-ROD-PM85具有更大的模场直径，达到65μm，长度为80cm。它完全满足更大孔径的增益光纤、尽可能短的增益光纤、和高阶模损耗大的增益光纤的技术要求。
　　
　　光子晶体光纤aeroGAIN-ROD-PM85是一个棒状光纤（图8），它不能弯曲。所以这个放大器的制作工艺显得尤为重要。需要考虑机械稳定性，散热的有效性，以及制作的相对容易程度。

　　　　同时也需要衍射效率和损伤阈值更高的光栅。可以选择表面镀高反介质膜的光栅（图9）。

　　
　　通过制作工艺的积累，关键器件的设计和选择，就可以制造出工业级的高功率飞秒光纤激光器。通过实现核心器件的国产自主研发和批量供应，飞秒光纤激光器必将达到世界先进水平，并打破国外垄断，满足工业高产出率和高质量的要求，带动超快激光微加工上下游技术革新和产业化发展，服务中国制造2025。
　　
　　参考文献：
　　
　　[1] “High energy fiber chirped pulse amplification system based on cubicons,” CLEO 2005, paper CThG4; Optics Express 13, 4717 (2005).
　　
　　本文摘自：《中国激光界》3月刊
　　作者：刘振林，2024年管家婆的马资料