德國工業4.0:弗勞恩霍夫研究所 | 先進光源的研發之路

Fraunhofer IAO

本文介紹德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）研究所的 CAPS 先進光源項目。

工業級超短脈衝(Ultra-Short Pulse，以下簡稱USP)雷射光源以其精密加工水平——無飛濺和熱副作用——有望打開更大的應用市場。

但是目前USP雷射光源的重頻和功率仍然有限，有些商用USP雷射光源能夠超過150 W平均功率或150 µJ單脈衝能量，不過多數較之更低。即使有了更強的光源，如果太多脈衝聚焦到一個點上，超短脈衝將失去"冷加工"的能力，因此如何使用更高的功率也是挑戰。

挑戰意味著巨大機遇，這就是德國弗勞恩霍夫研究所推出CAPS先進光源項目的原因，並聯合其13家研究所開發新一代千瓦量級USP雷射光源。

Fraunhofer Cluster of ExcellenceAdvanced Photon Sources CAPS

CAPS項目由弗勞恩霍夫雷射技術研究所(位於亞琛)和弗勞恩霍夫應用光學研究所(位於耶拿)管理，不僅致力於突破雷射功率限制，而且力求提升整個技術鏈的水平，從脈衝產生到加工技術和實際應用。

比如，要將高功率轉化成高產量，必須為千瓦級USP雷射系統開發新的加工技術.

首先是高重頻和高能量雷射和物質相互作用的基礎研究;

另一項技術挑戰是功率的分配。

第一種方法：將高能量脈衝分成很多平行的低能量脈衝，以此實施並行加工，或加工周期結構圖案，實現生產力的大幅提升；第二種方法：在每束低能量光束中使用聲光調製器，通過單獨開關生成雷射陣列印表機。

第三種方法：使光束通過液晶調製器，這樣幾乎可以生成任意圖案或光束性質，應用極為靈活。

CAPS先進光源項目的最關鍵問題是如何達到10 kW平均功率，為此採取同時採用兩種技術：二極體泵浦板條放大器和相干合成光纖放大器。兩種技術分別由亞琛和耶拿團隊負責。下面分別介紹這兩种放大器的具體實施。板條雷射器系統基於杜可明博士等人1996年申請的Innoslab專利技術。當時，杜可明在弗勞恩霍夫雷射技術研究所工作，五年後創建了EdgeWave公司。弗勞恩霍夫雷射技術研究所則繼續改進Innoslab，用於千瓦級USP雷射放大器。另一家公司AMPHOS因此成立，現為通快集團的一員。
Innoslab放大器原理如下圖所示：板條晶體位於中間，通過旁邊的反射鏡使光束在晶體中多次往返。從晶體的長條矩形面上實施部分端泵，這種形狀剛好匹配雷射二極體巴條的發射特徵。板條晶體通過兩個大表面安裝和冷卻，便於高效散熱。

為了取得更高功率可以增加晶體尺寸，如下圖所示：Innoslab晶體以藍色表示，被泵浦區域為紅色，剛好匹配通過柱面鏡一維整形的二極體巴條泵浦光，如需提升功率可以增加晶體在b和l兩個方向上的長度。CAPS項目中的新板條系統設計以單放大器輸出2 kW功率。

接下來兩年的目標是通過兩個放大器將功率增加到5 kW，而終極目標是使用碟片式放大器使功率倍增至10 kW。下面是基於摻鐿Innoslab的主振蕩功率放大器(MOPA)實物圖，左邊為種子飛秒雷射器，中間為功率放大器，右邊為515 nm倍頻模塊。

除了以上裝置，CAPS亞琛團隊還設計了多通氣池用於進一步壓縮脈衝。他們通過赫裡奧特多通氣池(光路請看下圖)成功將脈衝從590 fa壓縮到30 fs，而壓縮效率很高，只有5%的能量損耗。壓縮脈衝的能量略大於1 mJ，重頻500 kHz，平均功率達到530 W。

CAPS項目中的光纖放大器得益於夫琅禾費應用光學研究所和耶拿大學應用物理研究所密切合作積累的雷射研究經驗。光纖放大器已是一種非常成熟的技術。下圖是10 kW光纖放大器的主要裝置圖，種子振蕩器的輸出脈衝先被展寬，經過放大後再次壓縮。這種方法的限制是非線性效應的有害影響以及光纖的損傷閾值。

放大光束必須耦合到非常小的纖芯中，一種方法是採用大模場放大光纖。但是，為了突破單孔徑光纖的限制必須採用新的方法。一種技術是將初始光束分成多束，每束光單獨放大後通過相干合成一束光。但是，相干合成的實施比較複雜。在這種方法中，線偏振光分成兩束正交偏振光。放大後再以原來的方式重新合束，這要求完美控制合束的空間和時間重疊，因此所有光束都需要主動相位穩定系統。這種技術在CAPS光纖放大器中運行良好，取得了高達97%的合成效率。起初使用四光纖放大器產生了3.5 kW平均功率，而升級後的系統基於12根平行光纖。在最新的測試中，系統輸出8.9 kW單模平均功率，光束質量因子小於1.2。下面是光纖放大器系統的實物圖和一個細節圖。通過進一步優化，2020年初有望突破10 kW功率。脈衝能壓縮至250 fs脈寬。通過後續模塊還可壓縮到極少周期脈衝，或者通過非線性轉換成其它波長範圍，從THz到軟X射線，所以潛在應用也將非常廣泛。

在CAPS先進光源項目的13個合作研究所中，大部分研究這些新USP雷射光源的應用，主要分為四組：

除了研發高功率雷射器系統，這一組還致力於開發超短脈衝的傳輸、轉換、模擬和測量技術。

CAPS的最終願景是將USP雷射器系統引入大規模生產流程中，比如太陽能電池。

高功率雷射可以轉換成相干紅外或EUV光束，以此通過新的成像技術進行生物醫學等材料的無創分析。通過雷射驅動康普頓光源還能產生甚至更短的波長。

10到20 kW級USP雷射能夠用於高效生成全人工材料，其它選項還包括尋找量子技術材料。

CAPS項目目前著手於開發新一代高平均功率USP雷射器系統，使用板條或光纖放大器產生數千瓦級亞皮秒雷射脈衝。
和光源同時進行的還有光束傳輸技術研究，以確保雷射的高效應用。
在合作開發一系列新技術的時候，研究人員希望能把USP雷射變成這樣一種工具，既能達到當前CW光纖雷射的平均功率，又具備USP雷射器的獨特性質，包括高精密度以及加工幾乎任何材料的能力。

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