在科技的浩瀚長河中，飛秒激光技術(shù)猶如一顆璀璨的明珠，以其無與倫比的時間分辨率和能量密度，揭開了自然界秘密的一角。本文將為讀者們展示飛秒激光技術(shù)的產(chǎn)生原理及其福晶科技提出的一站式飛秒激光解決方案，并且通過本文希望能夠為您提供一個關(guān)于飛秒激光技術(shù)的全景視角，啟發(fā)未來的無限可能。
目前，產(chǎn)生高功率飛秒激光的主要技術(shù)手段是啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification，CPA)，根據(jù)放大增益介質(zhì)的不同可分為光纖放大和固體放大，對應(yīng)分為全光纖結(jié)構(gòu)飛秒激光器和固體飛秒激光器。光纖飛秒激光器使用稀土（如鐿Yb、鉺Er、銩Tm）摻雜光纖作為增益介質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)點。固體飛秒激光器使用塊狀晶體、板條、碟片（如Ti:sapphire、Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:CALGO等）作為增益介質(zhì)，具有高峰值功率和高輸出能量等優(yōu)點。板條和碟片飛秒激光器基于傳統(tǒng)固體激光器，通過對增益介質(zhì)的設(shè)計有效降低了熱效應(yīng)，提高泵浦效率，進(jìn)而提高輸出能量和改善光束質(zhì)量。
如動畫方案所示，本文以基于Yb摻雜激光增益晶體的固體飛秒激光器為例介紹飛秒激光的產(chǎn)生過程。高功率飛秒激光產(chǎn)生主要包括：振蕩器輸出低功率飛秒種子光、脈沖選擇、脈沖展寬、再生放大、行波放大和脈沖壓縮6個過程。
一、飛秒激光是什么 在具體介紹飛秒激光的產(chǎn)生過程之前，我們先來了解，飛秒激光是什么？ 飛秒激光指的是脈沖持續(xù)時間在飛秒（10-15秒）量級的激光，可捕捉分子振動、電子運動甚至是量子現(xiàn)象等超快過程，在千萬億分之一秒的時間尺度上探索基本物理現(xiàn)象。由于其脈沖寬度極窄、能量密度極高，在科學(xué)研究、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 在科研領(lǐng)域，飛秒激光在太赫茲與阿秒激光的產(chǎn)生中具有重要作用，飛秒激光由于其極短脈寬以及極高峰值功率能夠作為泵浦源高效激發(fā)非線性光學(xué)介質(zhì)產(chǎn)生太赫茲輻射；同時使用載波包絡(luò)相位鎖定的高強度飛秒激光可以產(chǎn)生阿秒脈沖(1as=10-18s)，開展阿秒科學(xué)的研究。 在工業(yè)加工領(lǐng)域，與普通激光采用熱燒蝕的加工方式不同，飛秒激光因其脈沖寬度較窄，在加工過程中與材料作用時間短，熱效應(yīng)較低，加工后的材料，表面平滑無碎屑；并且在透明材料加工領(lǐng)域由于其具有較高的峰值功率，當(dāng)激光脈沖聚焦在材料內(nèi)部時，可以在材料內(nèi)部產(chǎn)生永久結(jié)構(gòu)而不損傷材料表面[1]。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，飛秒激光在多光子成像方面具有更深的穿透深度和更高的空間分辨率，為醫(yī)生提供了更為精準(zhǔn)的診斷手段[2]；同時由于飛秒激光作用過程熱效應(yīng)小、持續(xù)時間短等特性在眼科手術(shù)方面也有眾多應(yīng)用[3]。 二、飛秒激光的產(chǎn)生&一站式飛秒激光解決方案
圖1 一站式飛秒激光解決方案展示圖
福晶科技可為全光纖飛秒和固體飛秒激光方案提供核心元器件，尤其在固體飛秒激光領(lǐng)域，福晶科技可提供創(chuàng)新式的“一站式”飛秒激光解決方案，形成了獨特的“晶體+光學(xué)+器件+方案”合作模式。本文展示的“一站式”飛秒激光方案中，包含從脈沖選擇的聲光調(diào)制器、再生放大中的普克爾盒、調(diào)節(jié)激光輸出的光開關(guān)以及它們各自的配套驅(qū)動、各級光隔離器、再生放大和行波放大中的超快激光晶體，再到啁啾光纖布拉格光柵展寬器和透射式脈沖壓縮光柵等各類光學(xué)元器件，滿足客戶在飛秒激光器研發(fā)、生產(chǎn)中的核心元器件需求。
飛秒激光的產(chǎn)生過程
種子光在飛秒激光器中通過鎖模技術(shù)在激光諧振腔內(nèi)不同模式之間引入固定的相位關(guān)系來產(chǎn)生。然而，由鎖模振蕩器輸出的超短脈沖功率通常較低，無法直接滿足許多應(yīng)用需求，因此需要進(jìn)一步放大。在2018年Veselis等人利用摻鉺光纖種子激光器與摻鐿晶體棒放大器相結(jié)合，生成了高保真的脈沖[4]，該研究表明通過有效的放大策略，飛秒種子激光可以實現(xiàn)更高的功率。 2. 聲光調(diào)制器—脈沖選擇 由于電子器件的時間延遲限制，飛秒種子光通常只能通過被動鎖模的方式產(chǎn)生。為了提取和選擇滿足特定條件的脈沖，進(jìn)行后續(xù)的放大或其他處理，需要引入聲光調(diào)制器。聲光調(diào)制器能夠在大光譜帶寬上補償大量的色散，同時提供高對比度的振幅整形，這對于脈沖選擇至關(guān)重要[5]。
圖2 光纖耦合聲光調(diào)制器 福晶科技設(shè)計開發(fā)了一系列AOM，最高頻率可達(dá)300 MHz，上升/下降時間低至6 ns，可根據(jù)客戶要求的調(diào)制速度、波長、功率、光束直徑、消光比，對調(diào)制器設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，光纖末端也可根據(jù)需要配置FC/APC等接頭，為客戶提供最佳調(diào)制技術(shù)解決方案。 表1 光纖耦合聲光調(diào)制器典型參考指標(biāo) 3. 啁啾光纖布拉格光柵展寬器—脈沖展寬 由于飛秒激光的脈寬較窄且峰值功率極高，放大過程中容易引發(fā)非線性效應(yīng)，如自聚焦和色散，可能導(dǎo)致脈沖畸變或器件損壞，因此為了避免這些問題，通常在放大前使用啁啾光纖布拉格光柵（Chirped Fiber Bragg Grating, CFBG）展寬器（如圖3）對脈沖進(jìn)行展寬[6]，從而降低脈沖的峰值功率。這種處理不僅減弱了非線性效應(yīng)，還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和放大后的平均功率及脈沖能量。展寬的脈沖通過放大鏈路后，還需通過反向的CFBG或者脈沖壓縮衍射光柵對進(jìn)行壓縮，以恢復(fù)其短脈寬，實現(xiàn)高峰值功率的輸出，適用于精密的科研和工業(yè)應(yīng)用。
圖3 啁啾光纖布拉格光柵展寬器 4. 再生放大 圖4 飛秒激光再生放大示意圖[7]
再生放大作為一種激光放大方案，由于其對種子光進(jìn)行多次放大的特點具有極高的增益，脈沖能量放大倍率可達(dá)106-107倍，同時諧振器的存在也能夠保證輸出光的基模特性，能夠?qū)崿F(xiàn)較高光束質(zhì)量的激光輸出[8, 9]。 再生放大結(jié)構(gòu)主要包含： （1）普克爾盒：通過加壓與不加壓調(diào)節(jié)種子光偏振態(tài)，實現(xiàn)對種子光輸入、輸出的控制；
圖5 福晶科技的BBO普克爾盒 福晶科技可提供不同規(guī)格要求的BBO普克爾盒。產(chǎn)品可適用于不同的使用環(huán)境。由于BBO普克爾盒具有低振鈴效應(yīng)，配合上自制驅(qū)動可實現(xiàn)1 MHz的重復(fù)頻率。此外，我們還提供水冷型或其他特殊附件定制。 表2 BBO普克爾盒的典型參考指標(biāo) （2）增益介質(zhì)：吸收泵浦光，在種子光通過激光晶體時提供能量增益；
圖6 福晶科技提供的Yb系列超快激光晶體 Yb系列超快激光晶體，如 Yb:CALGO、Yb:CaF2、Yb:KGW、Yb:YAG等，是產(chǎn)生超短高功率脈沖的優(yōu)良增益介質(zhì)。該系列晶體在 980 nm 波長附近的吸收截面大且吸收帶寬，對泵浦輻射吸收效率高，能有效利用LD泵浦；其次，在近紅外波段發(fā)射譜帶寬，可以產(chǎn)生皮秒（Picosecond，ps）或者飛秒（Femtosecond, fs）級別的超短脈沖；此外該系列晶體有較高的熱導(dǎo)率，綜合以上幾點優(yōu)勢，成為高功率二極管泵浦系統(tǒng)的首選材料。具有高光-光轉(zhuǎn)換效率的激光放大器是半導(dǎo)體泵浦飛秒（fs）激光器和放大器的重要潛在應(yīng)用之一。 （3）反射鏡、PBS、波片等各類光學(xué)器件：控制光路，實現(xiàn)激光的輸入，振蕩與輸出以及超快激光的色散補償。
圖7 偏振分束器（PBS） 福晶科技提供各類飛秒激光色散補償方案，比如低群延時色散(GDD)和高反射率啁啾反射鏡可以有效的減小飛秒激光通過光學(xué)系統(tǒng)時產(chǎn)生的相位畸變；放置在諧振腔中的布魯斯特棱鏡可以有效補償腔內(nèi)色散。 5. 行波放大 行波放大與再生放大相比，雖然增益較低，但因其結(jié)構(gòu)簡單，在激光放大技術(shù)中具有顯著優(yōu)勢。這種放大技術(shù)通常應(yīng)用于再生放大后的激光系統(tǒng)中，進(jìn)行進(jìn)一步的多級行波放大處理。行波放大的這一特性使其在處理復(fù)雜激光系統(tǒng)中尤為重要，尤其是在需要維持激光系統(tǒng)的緊湊性和高效性時。Heist等人的研究表明，通過多級行波放大可以有效地控制由克爾非線性、群速度色散和增益耗盡等因素引起的光譜展寬和脈沖壓縮問題，從而在保證激光輸出質(zhì)量的同時，提高整體系統(tǒng)的性能[10]。這種放大方法的應(yīng)用，為激光放大技術(shù)的發(fā)展提供了更多可能性，特別是在高精度科研和工業(yè)應(yīng)用中。
圖8 法拉第旋轉(zhuǎn)器 & 自由空間隔離器 行波放大過程的核心元器件是對激光起到放大作用的Yb摻雜激光增益晶體，此過程還需用到確保光信號的單向傳輸，同時抑制反向光的光隔離器。光隔離器能夠有效防止回反光導(dǎo)致的激光器不穩(wěn)定、效率降低甚至敏感組件損壞。 我們采用高品質(zhì)的磁光晶體，具有高維爾德常數(shù)、低吸收、高消光比、低損耗等特點，產(chǎn)品性能卓越、可靠，M2劣化小，最高峰值隔離度高達(dá)45 dB，可接受客戶定制。產(chǎn)品的最大工作平均功率可達(dá)500 W，波長范圍355 nm-4500 nm。 表3 法拉第旋轉(zhuǎn)器典型參考指標(biāo)
表4 自由空間隔離器典型參考指標(biāo) 6.透射式脈沖壓縮光柵—脈沖壓縮 在脈沖展寬和壓縮系統(tǒng)中，光柵是決定其性能的最關(guān)鍵部件之一。啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)被廣泛用于產(chǎn)生超短激光和高能量脈沖激光，脈沖壓縮光柵作為其核心元件，處于激光能量放大的終端。其原理：通過在透射光柵中進(jìn)行傳播，有效地抵消光束中不同頻率成分的相位與時間延遲，從而實現(xiàn)對光脈沖的壓縮并提高峰值功率。壓縮光柵的帶寬、衍射效率和抗激光損傷閾值決定了壓縮脈沖的寬度和峰值功率。此外，當(dāng)脈沖壓縮光柵作用在激光系統(tǒng)時亦可實現(xiàn)波長選擇和模式選擇。
圖9 透射式脈沖壓縮光柵 福晶科技生產(chǎn)的應(yīng)用于1030 nm波長的介質(zhì)膜透射式脈沖壓縮光柵通過投影光刻技術(shù)和離子束刻蝕技術(shù)加工而成，不含有任何有機材料，且該產(chǎn)品具有生產(chǎn)周期短、高衍射效率、低散射、高環(huán)境穩(wěn)定性、高抗損傷、高性價比等優(yōu)點。該產(chǎn)品基底材料以具有低吸收和高穩(wěn)定性的熔融石英或Zerodur材料為主，亦可按客戶需求定制使用其他光學(xué)玻璃材料。福晶科技可針對本類型的產(chǎn)品提供從樣件設(shè)計到大批量生產(chǎn)的全過程解決方案。
福晶科技憑借30多年的經(jīng)驗和先進(jìn)技術(shù)深耕激光領(lǐng)域，為超快激光系統(tǒng)提供了一站式綜合解決方案，從研發(fā)到批量制造，確保產(chǎn)品的高品質(zhì)和可靠性，持續(xù)滿足市場以及客戶在研發(fā)和生產(chǎn)中的需求，促進(jìn)下游應(yīng)用拓展，助力激光行業(yè)的發(fā)展革新。福晶科技始終致力成為光電行業(yè)發(fā)展的有力推動者。
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