現在，各種激光器已經被廣泛應用於(yu) 工業(ye) 加工和醫療領域，而超快光纖激光器作為(wei) 高端微納加工和生命科學領域的理想光源，正逐漸引發市場的高度關(guan) 注。

飛秒激光脈衝(chong) 在微加工中具有許多獨特的加工優(you) 勢，主要表現在：

▲飛秒激光加工的組織中沒有熔融區，沒有重鑄層，不產(chan) 生微裂紋。這是飛秒加工的最重要特征。它避免了熱熔化的存在，實現了相對意義(yi) 上的“冷”加工，大大減弱和消除了傳(chuan) 統加工中熱效應帶來的諸多負麵影響。

▲飛秒激光加工精度高，不受光的衍射極限的限製，具有很高的空間分辨性。

▲飛秒激光加工對材料沒有選擇和限製性，可以對任何材料進行精細加工、修複和處理。

▲飛秒激光加工需要的脈衝(chong) 能量閥值極低，一般隻有毫焦耳量級，這決(jue) 定了加工的能量低耗性。

▲加工過程不產(chan) 生導致結構損壞的衝(chong) 擊波，不損壞臨(lin) 界的結構組織。

與(yu) 固體(ti) 飛秒激光器相比，光纖飛秒激光器有諸多優(you) 點：結構緊湊、高集成、高穩定、免維護、免調試；高增益、低閾值、高轉換效率；散熱性能良好；高光束質量。光纖激光器是實用化激光光源的重要方向。

摻鐿(Yb)增益光纖非常適合於(yu) 中心波長在1微米的光纖激光器（圖1）。其主要優(you) 點包括：能用半導體(ti) 激光泵浦（860-1,050nm）；寬增益帶（970-1,200nm）；高飽和能量（35 J/cm2）；高泵浦效率；無激發態吸收等。



傳(chuan) 統的激光放大采用直接的行波放大，而對超短激光脈衝(chong) 來說，隨著能量的提高，其峰值功率將很快增加，並出現各種非線性效應及增益飽和效應，從(cong) 而限製了能量的進一步放大。

啁啾脈衝(chong) 放大技術（CPA）是飛秒激光脈衝(chong) 放大的必要手段。CPA技術的原理是，在維持光譜寬度不變的情況下通過色散元件將脈衝(chong) 展寬好幾個(ge) 數量級，形成所謂的啁啾脈衝(chong) 。這樣，在放大過程中，即使激光脈衝(chong) 的能量增加很快，其峰值功率也可以維持在較低水平，從(cong) 而避免出現非線性效應及增益飽和效應，保證激光脈衝(chong) 能量的穩定增長。當能量達到飽和放大可獲得的能量之後，借助與(yu) 脈衝(chong) 展寬時色散相反的元件將脈衝(chong) 壓縮到接近原來的寬度，即可使峰值功率大大提高（圖2）。



實用化的光纖飛秒激光器如圖3所示。它由光纖鎖模振蕩器、光纖脈衝(chong) 展寬器、光纖功率放大器及光柵脈衝(chong) 壓縮器構成。在固體(ti) 飛秒激光器中常用的體(ti) 光柵脈衝(chong) 展寬器，由於(yu) 體(ti) 積大、穩定性差、難耦合進單模光纖，並不適合用於(yu) 光纖飛秒激光器。如果單模保偏光纖能夠用作脈衝(chong) 展寬器，這些問題就會(hui) 得到解決(jue) 。但是通常情況下，單模保偏光纖和體(ti) 光柵脈衝(chong) 壓縮器都有正的三階色散，不能相互補償(chang) ，因此脈衝(chong) 壓縮效果很差。直到利用由功率放大器產(chan) 生的非線性相位移動來補償(chang) 光纖脈衝(chong) 展寬器和光柵壓縮器的3階色散，適合於(yu) 工業(ye) /醫療應用的穩定可靠的光纖飛秒激光器才得以實現[1]。



鎖模是激光器產(chan) 生超短脈衝(chong) 的重要技術。激光器光腔內(nei) 存在多種模式的激光脈衝(chong) ，當這些模式相互間的相位實現相長幹涉時才產(chan) 生激光超短脈衝(chong) 或稱鎖模脈衝(chong) 輸出。鎖模一般分為(wei) 兩(liang) 類：一類是主動鎖模，另一類是被動鎖模。前者是從(cong) 外部向激光器輸入信號周期性地調製激光器的增益或損耗，達到鎖模；後者則采用飽和吸收器(例如一片薄的半導體(ti) 膜)，利用其非線性吸收達到鎖定相對相位，產(chan) 生超短脈衝(chong) 輸出。

激光器鎖模的基本原理是將滿足起振條件的各個(ge) 縱模的相對相位以某種形式進行鎖定，在時間坐標軸上來看，在某些時刻上，所有的振蕩模式都同時到達振幅最大的位置，相幹疊加形成周期性的、強度極大提高的超短脈衝(chong) 序列（圖4）。這種鎖模脈衝(chong) 序列也可以理解為(wei) 時間域上的相幹亮條紋。



光纖脈衝(chong) 展寬器（圖5）將脈衝(chong) 寬度展寬到>500ps。這裏是用了啁啾光纖光柵的色散來展寬飛秒鎖模光纖振蕩器的輸出脈衝(chong) ，飛秒鎖模光纖振蕩器的輸出光譜寬度在15nm左右。



在功率放大器中，丹麥NKT Photonics公司的光子晶體(ti) 光纖DC-200/40-PZ-Yb可用於(yu) 數十微焦耳的飛秒光纖激光器（圖6）。這個(ge) 光子晶體(ti) 光纖的模場直徑達到31μm，雖然比普通單模光纖的芯徑大很多，但得益於(yu) 其特有的光纖結構，仍然可以保證基模輸出。



脈衝(chong) 壓縮技術中常用的是平行光柵對壓縮器。它讓光束的長波長部分比短波長部分通過更長的光程。這種壓縮器在適當的間隔引入了負色散，其結構緊湊。脈衝(chong) 壓縮器采用雙光程結構以消除空間啁啾對光束質量的影響。光平均功率的損耗在50%以下。



為(wei) 了獲得脈衝(chong) 能量和平均功率更高的光纖飛秒激光器，我們(men) 需要：

✔ 更長的被展寬脈衝(chong) ；

✔ 更大孔徑的增益光纖；

✔ 盡可能短的增益光纖；

✔ 高階模損耗大的增益光纖；

✔ 更高衍射效率和損傷(shang) 閾值的光柵。

丹麥NKT Photonics公司的光子晶體(ti) 光纖aeroGAIN-ROD-PM85具有更大的模場直徑，達到65μm，長度為(wei) 80cm。它完全滿足更大孔徑的增益光纖、盡可能短的增益光纖、和高階模損耗大的增益光纖的技術要求。

光子晶體(ti) 光纖aeroGAIN-ROD-PM85是一個(ge) 棒狀光纖（圖8），它不能彎曲。所以這個(ge) 放大器的製作工藝顯得尤為(wei) 重要。需要考慮機械穩定性，散熱的有效性，以及製作的相對容易程度。



同時也需要衍射效率和損傷(shang) 閾值更高的光柵。可以選擇表麵鍍高反介質膜的光柵（圖9）。



通過製作工藝的積累，關(guan) 鍵器件的設計和選擇，就可以製造出工業(ye) 級的高功率飛秒光纖激光器。通過實現核心器件的國產(chan) 自主研發和批量供應，飛秒光纖激光器必將達到世界先進水平，並打破國外壟斷，滿足工業(ye) 高產(chan) 出率和高質量的要求，帶動超快激光微加工上下遊技術革新和產(chan) 業(ye) 化發展，服務中國製造2025。

參考文獻：

[1] “High energy fiber chirped pulse amplification system based on cubicons,” CLEO 2005, paper CThG4; Optics Express 13, 4717 (2005).

作者：劉振林，武漢華銳超快光纖激光有限公司