紫外飛秒激光器作為先進激光技術(shù)的核心突破之一，憑借其超短脈沖、高峰值功率以及紫外波段特有的高光子能量，正在重塑精密制造、前沿科研與生命科學(xué)等領(lǐng)域的革新應(yīng)用

紫外飛秒激光器的核心優(yōu)勢在于能夠在極短時間內(nèi)釋放超高能量，幾乎消除熱效應(yīng)，從而實現(xiàn)對材料的“冷加工”；其短波長特性也賦予這種光源更小的聚焦光斑能力，成為微納加工的利器。因此紫外飛秒激光器在半導(dǎo)體晶圓切割、生物組織無創(chuàng)成像、量子材料制備等場景中展現(xiàn)出不可替代的價值。然而，長期以來，紫外飛秒激光器的技術(shù)瓶頸：單脈沖能量不足、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、維護成本高昂，嚴重制約了其產(chǎn)業(yè)化進程。目前市場上的商品化紫外飛秒激光器單脈沖能量大多局限在50μJ以內(nèi)，平均功率不足百瓦，生產(chǎn)商主要是從激光器在工業(yè)現(xiàn)場使用壽命的考量，將這些指標設(shè)定在器件可長期運行的參數(shù)范圍內(nèi)；在鍍膜和光學(xué)材料實現(xiàn)技術(shù)突破之前，高能高功率紫外激光器的平均無故障時間難以獲得突破性的提升。

然而產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍需要工業(yè)品制造商不斷探索和突破產(chǎn)品局限性，與應(yīng)用端用戶共同挑戰(zhàn)當前技術(shù)上限，為前沿應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)升級嘗試開拓出多種可能的技術(shù)路線。奧創(chuàng)光子在國家重點研發(fā)計劃項目的需求牽引下，以用戶需求為導(dǎo)向，集中技術(shù)資源攻關(guān)高能紫外飛秒激光器技術(shù)，獲得了百微焦的紫外飛秒脈沖。為確保激光器綜合性能穩(wěn)定，采用了高功率近紅外飛秒激光器作為基頻光源，該近紅外飛秒激光器為奧創(chuàng)光子產(chǎn)線上業(yè)已成熟的板條固體放大CPA平臺的300W版產(chǎn)品，其輸出最大單脈沖能量3mJ（圖1）。為了匹配三倍頻紫外諧波轉(zhuǎn)換，該基頻光平臺設(shè)置最大能量上限為600μJ，滿足諧波轉(zhuǎn)換所需能量強度，也避免了高能脈沖對倍頻器件的損傷風(fēng)險。

圖1. 奧創(chuàng)光子300瓦功率飛秒紅外激光器

奧創(chuàng)光子的300W飛秒激光器為光纖種子結(jié)合固體放大器的布局，主放大器采用板條Yb:YAG晶體作為激光增益介質(zhì)，通過多通板條放大光路實現(xiàn)高功率、大能量的超短脈沖輸出。高功率放大光路的重點在于突破放大器的熱效應(yīng)制約，掌握熱管理及增益管理關(guān)鍵技術(shù)；尤其是針對數(shù)百瓦平均功率的紅外飛秒激光器產(chǎn)品開發(fā)目標，作為主放大器的板條放大系統(tǒng)需要總功率不低于2200W的泵浦光，因此該放大器的開發(fā)重點工作集中于兩臺泵浦源輸出泵浦光的整形、聚焦以及為保護泵浦源而設(shè)計的反向隔離措施。

為了簡化板條激光放大器的裝調(diào)難度，同時確保足夠的增益倍率，采用以平面反射鏡為腔鏡的兩級雙端泵浦結(jié)構(gòu)，第一級為7通光路結(jié)構(gòu)，第二級為4通光路結(jié)構(gòu)，整形后的橢圓狀光強分布的信號光以較小的發(fā)散角進入板條放大器。兩級板條放大器共用兩個高功率二極管bar條陣列泵浦源，每個泵浦源的輸出泵浦光經(jīng)偏振分光鏡分束為兩個互相垂直的傳輸光路，進入各自的光束整形與勻化光學(xué)裝置，而后聚焦進入前后兩級Yb:YAG晶體。隨著泵浦電流的提升，兩級板條放大器同時獲得增益，輸出放大光，為了給倍頻系統(tǒng)提供優(yōu)良光束質(zhì)量的基頻光，板條放大器并未充分利用增益介質(zhì)儲能，放大功率維持在介質(zhì)熱畸變較小的增益區(qū)間內(nèi)。

激光器的三倍頻系統(tǒng)設(shè)計為獨立模塊，內(nèi)置二倍頻和三倍頻晶體、準直及聚焦透鏡組、分光鏡以及光學(xué)密封腔微環(huán)境循環(huán)過濾器件。其中二倍頻光學(xué)裝置為LBO晶體的溫度匹配二次諧波轉(zhuǎn)換光路系統(tǒng)，將來自前端近紅外飛秒激光器的300W、波長1030nm的飛秒激光匯聚入射LBO晶體；在精細調(diào)節(jié)最佳相位匹配溫度后，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換效率超過40%的二次諧波（圖2）。

圖2. 二倍頻產(chǎn)生的綠光激光功率穩(wěn)定性和脈寬

三倍頻晶體采用BBO，為了有效散熱并盡量減少群延遲失配，薄片狀BBO晶體嵌入主動制冷熱沉中，解決高功率高能量諧波轉(zhuǎn)換下非線性晶體溫控難題，從而提升紫外倍頻效率和穩(wěn)定性。從售后維護角度考量，三倍頻晶體及其溫控系統(tǒng)設(shè)計為整體模塊式拆裝方式，便于激光器在紫外倍頻系統(tǒng)維護周期節(jié)點進行快速的維護、維修。倍頻腔體內(nèi)的環(huán)境工程學(xué)措施包括密封充氣倍頻腔體達到隔絕外部灰塵污染的目的，并采用循環(huán)氣泵定期過濾腔內(nèi)材料產(chǎn)生的雜質(zhì)，延長倍頻晶體壽命。

整合了上述環(huán)境工程學(xué)措施的紫外飛秒激光器，經(jīng)過嚴格的出廠測試，獲得的主要輸出參數(shù)（圖3）為：中心波長343nm，最大平均功率54W，最大單脈沖能量108μJ ，目前該款百微焦紫外飛秒激光器已主要用于材料科學(xué)研究。

圖3. 紫外飛秒激光主要參數(shù)實測結(jié)果（上：功率穩(wěn)定性測試；下：遠場光斑測量)

紫外飛秒激光器的研制歷程，本質(zhì)上是一場跨越物理極限、工程瓶頸與產(chǎn)業(yè)需求的攻堅戰(zhàn)。從晶體材料的篩選到相位匹配的精密控制，從實驗室的原型驗證到工業(yè)產(chǎn)線的穩(wěn)定落地，每一項進步都凝聚著多學(xué)科交叉的智慧結(jié)晶。當前，奧創(chuàng)光子等民族激光企業(yè)在高端激光器領(lǐng)域已展現(xiàn)出強勁的追趕勢頭，擴大國產(chǎn)高端激光光源在精密制造行業(yè)的市場份額；而要實現(xiàn)從“并跑”到“領(lǐng)跑”的躍遷，仍需期待我國光學(xué)材料研究工作者在增益介質(zhì)、非線性晶體、高損傷閾值鍍膜等底層技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)深耕和突破。

轉(zhuǎn)自：奧創(chuàng)光子

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