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超快激光器

高功率皮秒/飞秒激光器开创应用新天地(二)

星之球激光 来源:激光世界2011-12-08 我要评论(0 )   

飞秒脉冲和皮秒脉冲的线性吸收所产生的影响往往被忽视,因为脉冲的峰值 功率 非常高,以至于贯穿多 光子 过程的非线性吸收相对于线性吸收来讲占据了主导地位。如果上述...

飞秒脉冲和皮秒脉冲的线性吸收所产生的影响往往被忽视,因为脉冲的峰值功率非常高,以至于贯穿多光子过程的非线性吸收相对于线性吸收来讲占据了主导地位。如果上述情况的脉冲持续时间和能量密度的边界条件都得以满足,那么这种说法往往会产生误导。
 
  为了直观地说明这一点,图1给出了硅对能量密度为1J/cm2的脉冲的吸收曲线。 对于持续时间为6ps甚至是更宽的脉冲,线性吸收都绝对超过非线性吸收占据了主导地位。即使脉冲持续时间为500 fs,这种状况也不会改变:非线性吸仍然非常低,以至于无法达到想要的1µm级的光穿透深度。

  对于脉冲持续时间为6ps的脉冲,线性吸收超过了非线性吸收占据主导地位。即使持续时间为500fs的脉冲,其非线性吸收也非常,以至于无法达到想要的1µm级的光学穿透深度。

  选择一个紫外波长,使理论上的最佳性能与实践中的(如用于硅片切割)相同。出于某种目的,在加工硅片中,使用绿光波长可能就足以满足要求。

  具有适当能量密度与波长的飞秒脉冲及皮秒脉冲,适合用于那些要求热影响非常小的材料加工应用。此外,对于皮秒脉冲的持续时间而言,产生这些脉冲的技术方法可以大大简化。无需啁啾脉冲放大(CPA)的直接二极管泵浦和放大(功率调整),对于超短脉冲技术在工业市场的成功,是非常必需的。事实上,对于工业微加工领域一种具有成本效益的应用而言,必须将平均输出功率增加到50W甚至更高。

  光纤与碟片的结合

  20世纪70年代棒状激光器(开始是灯泵浦后来是二极管泵浦)问世。在超越高平均功率对光束质量限制的同时,棒状激光器、二极管泵浦碟片激光器技术均在20世纪90年代获得了长足发展,使其成为了工业领域千瓦级连续应用最可靠的技术选择。

  光纤激光器技术和碟片激光器技术比传统的棒状激光器技术更为优越,因为它们采用了比激光激活体更大的散热面,使TEM00连续运作的功率水平能达到500W甚至更高。在同等的亮度下,细小的光纤芯径使得光纤激光器内的激光强度要远远高于碟片激光器。

  然而,当放大皮秒脉冲和飞秒脉冲时,高光强会导致非线性效应,如自相位调制或拉曼散射,这需要在超快光纤放大器中增加复杂的啁啾脉冲放大,或将可获得的最大脉冲能量限制在6μJ甚至更低。用碟片激光器技术作为皮秒脉冲的放大器,能够实现高峰值功率(高达100MW)和低光强,并且不会产生非线性效应。

  为了实现具有高脉冲能量(高达250μJ)和高平均功率(高达100W)的皮秒激光器,需要使用具有以下独特配置的主振功率放大器:一个基于电信组件的被动锁模光纤激光器,作为一个单片集成的、具有成本效益的、可靠的光源,用于低功率和低脉冲能量皮秒脉冲的产生。

  利用碟片激光器将光纤激光器的输出功率放大5个数量级,达到红外功率超过100W,绿光功率达到60W,脉冲频率范围200~800kHz,无需使用复杂的啁啾脉冲放大器。即使在这些功率水平,也能实现M2<1.3的卓越光束质量。此外,对于激光器的每个可选的参数组合,其输出光束质量均能保持上述水平。

到达工件的功率

  利用超快激光实现精细加工,最主要的任务是操纵激光束,并将激光功率转换成最大的生产效率和质量。整个加工过程需要充分考虑工件的几何特征以及加工精度等要求,构建最终的加工系统。该系统将需要一套的光学元件,如扫描仪、F-Theta透镜、聚焦元件、波片、穿孔光学元件,以及许多其他元件。

  整个加工过程还需要考虑线性或旋转加工。无论是最先进的线性加工,还是扫描仪,都没有动态应用超过1MHz的脉冲频率,尽管激光技术可能为这方面的发展做好了准备。

  喷油嘴钻孔

  生产节油、低排放的发动机,是汽车行业面临的一个重大挑战,解决这个问题的关键是实现更加清洁的燃料燃烧,这个问题可以通过优化燃油喷嘴来实现。

  用高功率皮秒激光器钻孔喷油嘴,产生了非常尖锐的边缘,孔内没有毛刺或熔化,表面非常光滑,从而能实现最优化的燃料喷雾。此外,喷油嘴的锥度可以从正值、零值到负值,为优化喷射过程提供了一定的自由度。50W的平均功率与高达250μJ的脉冲能量相结合,能够实现高速、高质量的钻孔

 

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