高功率超快(皮秒)激光器的几个关键技术浅析

高功率皮秒激光器以其高峰值功率、窄脉冲宽度（10-12s）,在材料精细加工、LED芯片划片、太阳能光伏，科学研究等领域得到了广泛的应用。相对于传统纳秒激光（10-9s），采用皮秒激光加工材料，具有加工精度高、热效应极小、加工边缘无毛刺等优点。相对于飞秒激光（10-15s），皮秒激光也有不少优势，由于不需要为了放大而展宽和压缩脉冲，皮秒激光器结构相对简单，因此成本效益更高，性能更可靠。同时，皮秒脉冲仍短到足以应付非常精确和无应力的精细加工。

目前国内工业领域对于皮秒激光器的需求量很大，但是大部分依赖于进口，价格昂贵，维护也非常麻烦。国内少有的几家提供皮秒激光器产品的公司，受限于产品稳定性问题，市场占有率较低。

 

 

工业用高功率皮秒激光器单脉冲能量通常需要达到微焦，甚至亚毫焦量级，而锁模种子激光器的频率达到MHz以上，种子的单脉冲能量通常为nJ量级，为了获得高的单脉冲能量，可以通过选脉冲技术将种子频率降低，然后通过高增益放大器实现高单脉冲能量输出。皮秒激光器工作原理如下图所示，结构主要包括种子激光器，选脉冲单元和放大器三个部分。MHz高频种子光脉冲通过声光或者电光调制器，选出kHz激光脉冲，脉冲再经过单级或者多级放大实现高单脉冲能量输出。主要关键技术如下：

— 皮秒种子源技术 —

种子源技术是皮秒激光器的核心技术，种子源的性能直接决定皮秒激光器的稳定性和可靠性，皮秒激光器最不容易控制和出故障最多的地方就是种子激光器，如何延长可饱和吸收镜的使用寿命成为种子源技术的关键。种子激光器一般分基于半导体泵浦技术的固体种子和基于光纤技术的光纤种子两种。固体种子存在结构复杂、体积大、成本高、稳定性差等缺陷，其用于锁模的可饱和吸收镜承受较高功率和热量，寿命通常小于1500小时，为了满足10000小时的使用寿命，需要对可饱和吸收镜频繁换点。相比之下，光纤种子源可饱和吸收镜上承受的功率和热量低很多，使用寿命会长很多，即使可饱和吸收镜不换点，其寿命也可以达到10000小时以上。除此之外，光纤种子源还具有结构简单，制作成本低，性能稳定，基本免维护等优点，因此已经成为各大激光器供应商的首选。

— 皮秒放大器技术 —

为了获得大单脉冲能量输出，种子脉冲需要经过高增益放大器放大来实现。皮秒放大器的难点在于如何控制放大后激光的光束质量以及如何避免放大器内部器件因承受高峰值功率而损坏。高增益放大器有三种：光纤放大器、再生放大器以及多程行波放大器。

光纤放大器优点是输出功率高，放大增益高（>109），结构简单稳定，制作成本相对较低；缺陷是受光纤非线性影响，无法获得高单脉冲能量输出，通常小于10uJ。

再生放大器优点是，放大器增益高，很容易获得>200uJ单脉冲能量输出，缺陷是放大腔结构复杂，对脉冲时序要求非常严格，同时需要加入电光腔倒空功能，制作难度大，成本高，稳定性不容易控制。

多程行波放大器的优点是，结构简单，稳定可靠，制作成本低，很容易获得高单脉冲能量输出，缺陷是单级放大增益小，一般仅达到103-104，但是可以通过增加放大级数来获得较高的增益。

— 选脉冲技术 —

除了种子源和放大技术外，皮秒激光器还有一项关键的技术，即种子源选脉冲技术（Puls Picking）。如上述皮秒激光器的原理图所示，选脉冲技术的实现目前主要有两种方式：AOM和EOM。其实质基本类似，都是通过晶体的非线性效应实现对种子脉冲的选择性拾取。如下简单介绍使用AOM实现选脉冲的基本原理。

声光的基本原理：

选脉冲的实现：

— 先进控制技术 —

除了种子源和放大器技术以外，皮秒激光器关键技术还包含泵浦源驱动和温控技术、脉冲同步技术、数据记录技术，功率调节和监控技术等。

泵浦源驱动和温控技术决定泵浦光的功率和波长稳定性，从而直接影响输出激光脉冲的稳定性。数据记录技术可以了解激光器运行中的所有数据变化情况，从而跟踪激光器的使用状态。功率调节和监控技术可以实时调节和监控激光器的输出功率，因此在激光加工过程中必不可少。

*英国Gooch&Housego公司红外1064nm光纤耦合声光调制器的基本参数如下：图片

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