高功率超快(皮秒)激光器的幾個關鍵技術淺析

高功率皮秒激光器以其高峰值功率、窄脈衝寬度（10-12s）,在材料精細加工、LED芯片劃片、太陽能光伏，科學研究等領域得到了廣泛的應用。相對於傳統納秒激光（10-9s），采用皮秒激光加工材料，具有加工精度高、熱效應極小、加工邊緣無毛刺等優點。相對於飛秒激光（10-15s），皮秒激光也有不少優勢，由於不需要為了放大而展寬和壓縮脈衝，皮秒激光器結構相對簡單，因此成本效益更高，性能更可靠。同時，皮秒脈衝仍短到足以應付非常精確和無應力的精細加工。

目前國內(nei) 工業(ye) 領域對於(yu) 皮秒激光器的需求量很大，但是大部分依賴於(yu) 進口，價(jia) 格昂貴，維護也非常麻煩。國內(nei) 少有的幾家提供皮秒激光器產(chan) 品的公司，受限於(yu) 產(chan) 品穩定性問題，市場占有率較低。

工業(ye) 用高功率皮秒激光器單脈衝(chong) 能量通常需要達到微焦，甚至亞(ya) 毫焦量級，而鎖模種子激光器的頻率達到MHz以上，種子的單脈衝(chong) 能量通常為(wei) nJ量級，為(wei) 了獲得高的單脈衝(chong) 能量，可以通過選脈衝(chong) 技術將種子頻率降低，然後通過高增益放大器實現高單脈衝(chong) 能量輸出。皮秒激光器工作原理如下圖所示，結構主要包括種子激光器，選脈衝(chong) 單元和放大器三個(ge) 部分。MHz高頻種子光脈衝(chong) 通過聲光或者電光調製器，選出kHz激光脈衝(chong) ，脈衝(chong) 再經過單級或者多級放大實現高單脈衝(chong) 能量輸出。主要關(guan) 鍵技術如下：

— 皮秒種子源技術 —

種子源技術是皮秒激光器的核心技術，種子源的性能直接決(jue) 定皮秒激光器的穩定性和可靠性，皮秒激光器最不容易控製和出故障最多的地方就是種子激光器，如何延長可飽和吸收鏡的使用壽命成為(wei) 種子源技術的關(guan) 鍵。種子激光器一般分基於(yu) 半導體(ti) 泵浦技術的固體(ti) 種子和基於(yu) 光纖技術的光纖種子兩(liang) 種。固體(ti) 種子存在結構複雜、體(ti) 積大、成本高、穩定性差等缺陷，其用於(yu) 鎖模的可飽和吸收鏡承受較高功率和熱量，壽命通常小於(yu) 1500小時，為(wei) 了滿足10000小時的使用壽命，需要對可飽和吸收鏡頻繁換點。相比之下，光纖種子源可飽和吸收鏡上承受的功率和熱量低很多，使用壽命會(hui) 長很多，即使可飽和吸收鏡不換點，其壽命也可以達到10000小時以上。除此之外，光纖種子源還具有結構簡單，製作成本低，性能穩定，基本免維護等優(you) 點，因此已經成為(wei) 各大激光器供應商的首選。

— 皮秒放大器技術 —

為(wei) 了獲得大單脈衝(chong) 能量輸出，種子脈衝(chong) 需要經過高增益放大器放大來實現。皮秒放大器的難點在於(yu) 如何控製放大後激光的光束質量以及如何避免放大器內(nei) 部器件因承受高峰值功率而損壞。高增益放大器有三種：光纖放大器、再生放大器以及多程行波放大器。

光纖放大器優(you) 點是輸出功率高，放大增益高（>109），結構簡單穩定，製作成本相對較低；缺陷是受光纖非線性影響，無法獲得高單脈衝(chong) 能量輸出，通常小於(yu) 10uJ。

再生放大器優(you) 點是，放大器增益高，很容易獲得>200uJ單脈衝(chong) 能量輸出，缺陷是放大腔結構複雜，對脈衝(chong) 時序要求非常嚴(yan) 格，同時需要加入電光腔倒空功能，製作難度大，成本高，穩定性不容易控製。

多程行波放大器的優(you) 點是，結構簡單，穩定可靠，製作成本低，很容易獲得高單脈衝(chong) 能量輸出，缺陷是單級放大增益小，一般僅(jin) 達到103-104，但是可以通過增加放大級數來獲得較高的增益。

— 選脈衝(chong) 技術 —

除了種子源和放大技術外，皮秒激光器還有一項關(guan) 鍵的技術，即種子源選脈衝(chong) 技術（Puls Picking）。如上述皮秒激光器的原理圖所示，選脈衝(chong) 技術的實現目前主要有兩(liang) 種方式：AOM和EOM。其實質基本類似，都是通過晶體(ti) 的非線性效應實現對種子脈衝(chong) 的選擇性拾取。如下簡單介紹使用AOM實現選脈衝(chong) 的基本原理。

聲光的基本原理：