未来已来!超快激光的进阶之路(技术革新篇)

来源:激光制造网整理    关键词:超快激光, 技术, CPA,    发布时间:2019-12-20

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当前全球超快激光市场由海外超快激光厂商主导,国内市场而言,当前大部分产品仍旧依靠进口。如今,国内激光厂家也纷纷投入到超快激光研发中来,在前几期的《超快激光加工专题》文章里面,我们提及了不少目前国内已经涉足超快激光加工的企业,本媒认为,随着我国巨大的市场需求,超快激光一定是一个新的蓝海市场,它将成为激光产业一个强有力的增长点!


中国传统制造业正面临深度转型和升级,激光技术在消费电子、新型显示、激光内雕、生物医疗等领域获得了越来越多的应用,这些新的需求对激光加工精细度的要求变得更加苛刻。超快激光加工技术与传统激光技术相比具有很多优点,加工精度高,应用范围广泛,无明显热效应。我国超快激光器行业处于快速成长阶段,国内主要企业开始展开在超快激光领域的布局,有望较快占领国内市场并实现出口。


超快激光-激光器家族的年轻成员


按照输出形式分类,超快激光属于超短脉冲。在工业上,通常将激光分成连续波、准连续、 短脉冲、超短脉冲四类。连续波以多模连续光纤激光器为代表,占据了当前工业市场的大部分份额。准连续波又称长脉冲,可产生 ms~μs 量级的脉冲,占空比为 10%,这使得 脉冲光具有比连续光高十倍以上的峰值功率。短脉冲指的是 ns 量级的脉冲,广泛的应用 于激光标刻、钻孔、医疗、激光测距、二次谐波的产生、军事等领域。超短脉冲则是我们所说的超快激光,包括达到ps、fs 量级的脉冲激光。


超快激光的进阶之路


所谓超快激光,是指脉冲宽度在皮秒(ps,− s)量级及以下的脉冲激光。纳秒、皮秒、 飞秒都是时间单位,1ns=10−9 s,1ps=10−12 s,1fs=10−15 s。这个时间单位,表示 的是一个激光脉冲的脉冲宽度,简言之就是在如此短暂的时间内输出一个脉冲激光。由于 其输出单脉冲时间非常非常短,因此这样的激光称为超快激光。


激光技术诞生以来,超快激光就是激光研究的重点。1960 年,第一台激光器--红宝石激光器问世为超快过程的研究打开了门户,随后出现的调 Q 技术和锁模技术使得超快激光取得了长足进步。20 世纪 80 年代,超快光谱学发生了革命性的变化。对撞脉冲锁模(CPM)的 概念引入了染料激光器,皮秒激光脉冲被压缩到了飞秒(fs)时域,产生了 100 fs 的脉冲。但是克尔效应导致的自聚焦及元件损伤的问题限制了超宽激光的进一步发展。直到1985年 CPA 技术的出现,解决了这一难题,成为了超快激光发展史上的里程碑。


1.最先技术-调 Q 技术


在 CPA 技术诞生之前,调 Q 技术与锁模技术是超快激光普遍采用的技术。所谓调 Q 就是指调节激光器的 Q 值的技术。在激光器泵浦的初期, 把谐振腔的 Q值调得很低,使激光器暂时不满足振荡条件,在泵浦脉冲的激励下获得很高 的粒子数密度时,再迅速调大谐振腔的 Q 值,此时反转粒子数密度远大于阈值反转粒子数 密度,激光振荡迅速建立并达到很高的峰值功率,同时反转粒子数迅速被耗尽,脉冲很快结束,这样就获得了具有窄脉冲宽度和大峰值功率的激光脉冲。利用调 Q 技术能够建立纳秒脉冲的输出。


2.重要技术-锁模技术


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,利用其非线性吸收达到锁定相对相位,产生超短脉冲输出。


3.革命性技术-CPA 技术


锁模技术出现以后,利用锁模技术产生具有皮秒及 飞秒脉宽的超短脉冲激光,这类脉冲激光不仅可以用来研究观察分子、原子等微观世界粒 子的超快动力学行为,揭示掩盖在瞬态过程中的科学现象与规律,而且比纳秒乃至微秒等 长脉冲激光具有高数个量级的峰值功率。因此进一步放大超短脉冲激光,是产生高峰值功 率激光的当然选择。但随着激光峰值功率的提高,人们面临的一个重要问题是激光在达到 放大饱和前,就由于强度依赖的克尔效应导致的自聚焦及元件损伤,正是由于该原因,激 光强度的进一步发展遭遇了巨大瓶颈。直到 1985 年,当时在美国罗切斯特大学工作的G érard Mouro 教授和他的博士生Donna Strickland 巧妙地提出了啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)的概念,从而有效解决了这一矛盾,引发了激光峰值功率的飞跃。


下一期,本媒将和大家详细说一下最新的革命性技术-CPA 技术。