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超快激光器

高功率皮秒/飛秒激光器開創(chuàng)應用新天地(二)

星之球激光 來源:激光世界2011-12-08 我要評論(0 )   

飛秒脈沖和皮秒脈沖的線性吸收所產(chǎn)生的影響往往被忽視,因為脈沖的峰值 功率 非常高,以至于貫穿多 光子 過程的非線性吸收相對于線性吸收來講占據(jù)了主導地位。如果上述...

飛秒脈沖和皮秒脈沖的線性吸收所產(chǎn)生的影響往往被忽視,因為脈沖的峰值功率非常高,以至于貫穿多光子過程的非線性吸收相對于線性吸收來講占據(jù)了主導地位。如果上述情況的脈沖持續(xù)時間和能量密度的邊界條件都得以滿足,那么這種說法往往會產(chǎn)生誤導。
 
  為了直觀地說明這一點,圖1給出了硅對能量密度為1J/cm2的脈沖的吸收曲線。 對于持續(xù)時間為6ps甚至是更寬的脈沖,線性吸收都絕對超過非線性吸收占據(jù)了主導地位。即使脈沖持續(xù)時間為500 fs,這種狀況也不會改變:非線性吸仍然非常低,以至于無法達到想要的1µm級的光穿透深度。

  對于脈沖持續(xù)時間為6ps的脈沖,線性吸收超過了非線性吸收占據(jù)主導地位。即使持續(xù)時間為500fs的脈沖,其非線性吸收也非常,以至于無法達到想要的1µm級的光學穿透深度。

  選擇一個紫外波長,使理論上的最佳性能與實踐中的(如用于硅片切割)相同。出于某種目的,在加工硅片中,使用綠光波長可能就足以滿足要求。

  具有適當能量密度與波長的飛秒脈沖及皮秒脈沖,適合用于那些要求熱影響非常小的材料加工應用。此外,對于皮秒脈沖的持續(xù)時間而言,產(chǎn)生這些脈沖的技術(shù)方法可以大大簡化。無需啁啾脈沖放大(CPA)的直接二極管泵浦和放大(功率調(diào)整),對于超短脈沖技術(shù)在工業(yè)市場的成功,是非常必需的。事實上,對于工業(yè)微加工領域一種具有成本效益的應用而言,必須將平均輸出功率增加到50W甚至更高。

  光纖與碟片的結(jié)合

  20世紀70年代棒狀激光器(開始是燈泵浦后來是二極管泵浦)問世。在超越高平均功率對光束質(zhì)量限制的同時,棒狀激光器、二極管泵浦碟片激光器技術(shù)均在20世紀90年代獲得了長足發(fā)展,使其成為了工業(yè)領域千瓦級連續(xù)應用最可靠的技術(shù)選擇。

  光纖激光器技術(shù)和碟片激光器技術(shù)比傳統(tǒng)的棒狀激光器技術(shù)更為優(yōu)越,因為它們采用了比激光激活體更大的散熱面,使TEM00連續(xù)運作的功率水平能達到500W甚至更高。在同等的亮度下,細小的光纖芯徑使得光纖激光器內(nèi)的激光強度要遠遠高于碟片激光器。

  然而,當放大皮秒脈沖和飛秒脈沖時,高光強會導致非線性效應,如自相位調(diào)制或拉曼散射,這需要在超快光纖放大器中增加復雜的啁啾脈沖放大,或?qū)⒖色@得的最大脈沖能量限制在6μJ甚至更低。用碟片激光器技術(shù)作為皮秒脈沖的放大器,能夠?qū)崿F(xiàn)高峰值功率(高達100MW)和低光強,并且不會產(chǎn)生非線性效應。

  為了實現(xiàn)具有高脈沖能量(高達250μJ)和高平均功率(高達100W)的皮秒激光器,需要使用具有以下獨特配置的主振功率放大器:一個基于電信組件的被動鎖模光纖激光器,作為一個單片集成的、具有成本效益的、可靠的光源,用于低功率和低脈沖能量皮秒脈沖的產(chǎn)生。

  利用碟片激光器將光纖激光器的輸出功率放大5個數(shù)量級,達到紅外功率超過100W,綠光功率達到60W,脈沖頻率范圍200~800kHz,無需使用復雜的啁啾脈沖放大器。即使在這些功率水平,也能實現(xiàn)M2<1.3的卓越光束質(zhì)量。此外,對于激光器的每個可選的參數(shù)組合,其輸出光束質(zhì)量均能保持上述水平。

到達工件的功率

  利用超快激光實現(xiàn)精細加工,最主要的任務是操縱激光束,并將激光功率轉(zhuǎn)換成最大的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。整個加工過程需要充分考慮工件的幾何特征以及加工精度等要求,構(gòu)建最終的加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)將需要一套的光學元件,如掃描儀、F-Theta透鏡、聚焦元件、波片、穿孔光學元件,以及許多其他元件。

  整個加工過程還需要考慮線性或旋轉(zhuǎn)加工。無論是最先進的線性加工,還是掃描儀,都沒有動態(tài)應用超過1MHz的脈沖頻率,盡管激光技術(shù)可能為這方面的發(fā)展做好了準備。

  噴油嘴鉆孔

  生產(chǎn)節(jié)油、低排放的發(fā)動機,是汽車行業(yè)面臨的一個重大挑戰(zhàn),解決這個問題的關(guān)鍵是實現(xiàn)更加清潔的燃料燃燒,這個問題可以通過優(yōu)化燃油噴嘴來實現(xiàn)。

  用高功率皮秒激光器鉆孔噴油嘴,產(chǎn)生了非常尖銳的邊緣,孔內(nèi)沒有毛刺或熔化,表面非常光滑,從而能實現(xiàn)最優(yōu)化的燃料噴霧。此外,噴油嘴的錐度可以從正值、零值到負值,為優(yōu)化噴射過程提供了一定的自由度。50W的平均功率與高達250μJ的脈沖能量相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高質(zhì)量的鉆孔

 

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