皮秒雷射器技術在工業領域的應用
2021-01-20 電子發燒友電子設計 發表於 2018-10-18 08:21:00
高功率皮秒以其高峰值功率、窄脈衝寬度（10-12s）,在材料精細微加工、LED晶片劃片、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（10-9s），採用皮秒材料，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（10-15s），皮秒雷射也有不少優勢，由於不需要為了放大而展寬和壓縮脈衝，皮秒雷射器結構相對簡單，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微細加工。
目前國內工業領域對於皮秒雷射器的需求量很大，一年要在800臺以上，大部分依賴於進口，價格昂貴，維護也非常麻煩。國內有幾家提供皮秒雷射器產品，受限於穩定性問題，市場佔有率較低。
工業用高功率皮秒雷射器單脈衝能量通常需要達到微焦，甚至亞毫焦量級，而鎖模種子雷射器的頻率達到MHz以上，種子的單脈衝能量通常為nJ量級，為了獲得高的單脈衝能量，可以通過選脈衝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能量輸出。皮秒雷射器工作原理如下圖所示，結構主要包括種子雷射器，選脈衝單元和放大器三個部分。MHz高頻種子光脈衝通過聲光或者電光調製器，選出kHz，脈衝再經過單級或者多級放大實現高單脈衝能量輸出。主要關鍵技術如下：
皮秒種子源技術:
種子源技術是皮秒雷射器的核心技術，種子源的性能直接決定皮秒雷射器的穩定性和可靠性，皮秒雷射器最不容易控制和出故障最多的地方就是種子雷射器，如何延長可飽和吸收鏡的使用壽命成為種子源技術的關鍵。種子雷射器一般分基於半導體泵浦技術的固體種子和基於光纖技術的光纖種子兩種。固體種子存在結構複雜，體積大，成本高，穩定性差等缺陷，其用於鎖模的可飽和吸收鏡承受較高功率和熱量，壽命通常小於1500小時，為了滿足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，基本免維護等優點，因此已經成為各大雷射器供應商的首選。
皮秒放大器技術：
為了獲得大單脈衝能量輸出，種子脈衝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如何控制放大後雷射的光束質量以及如何避免放大器內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。下表從幾個維度，對三种放大器的優缺點進行對比。
光纖放大器優點是輸出功率高，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，無法獲得高單脈衝能量輸出，通常小於10uJ。
再生放大器優點是，放大器增益高，很容易獲得>200uJ單脈衝能量輸出，缺陷是放大腔結構複雜，對脈衝時序要求非常嚴格，同時需要加入電光腔倒空功能，製作難度大，成本高，穩定性不容易控制。
多程行波放大器的優點是，結構簡單，穩定可靠，製作成本低，很容易獲得高功率高單脈衝能量輸出，缺陷是單級放大增益小，一般可以達到103-104，但是可以通過增加放大級數來獲得需要增益，目前絕大多數的雷射器廠商採用這种放大器。
先進控制技術：
除了種子源和放大器技術以外，皮秒雷射器關鍵技術還包含泵浦源驅動和溫控技術、選脈衝技術、脈衝同步技術、數據記錄技術，功率調節和監控技術等。
泵浦源驅動和溫控技術決定泵浦光的功率和波長穩定性，從而直接影響輸出雷射脈衝的穩定性。選脈衝技術需要調製器具有<10ns上升和下降時間，同時要考慮脈衝同步問題，避免脈衝被削掉。數據記錄技術可以了解雷射器運行中的所有數據變化情況，從而跟蹤雷射器的使用狀態。功率調節和監控技術可以實時調節和監控雷射器的輸出功率，因此在雷射加工過程中必不可少。
貝林雷射皮秒雷射器：
貝林雷射自2013年推出首款皮秒雷射器以來，已經有超過500臺皮秒雷射器用於工業加工領域。2017年初推出新一代Amber系列皮秒雷射器產品，該產品採用皮秒光纖種子源配合多程行波放大器實現高峰值功率皮秒雷射輸出，產品覆蓋皮秒紅外功率1-50W，皮秒綠光功率1-25W。皮秒脈衝寬度<15ps，光束質量M^2<1.3。Amber系列雷射器配備先進的控制系統，雷射器集成遠程診斷，數據記錄，功率調節和監控等功能，確保雷射器長時間穩定運行，滿足工業客戶24/7應用。
50W皮秒雷射器(Amber IR-50)
附圖1：50W皮秒雷射器Amber IR-50 500小時拷機功率曲線：
附圖2：50W皮秒雷射器Amber IR-50 光束質量測試：
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