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飛秒激光振蕩器產(chǎn)生的紅外波長(zhǎng)脈沖可覆蓋近紅外到中紅外波段范圍,而可見(jiàn)光及紫外波段飛秒脈沖的實(shí)現(xiàn),需要以紅外光為基頻光進(jìn)行諧波轉(zhuǎn)換,所生成的短波飛秒脈沖具有更高的單光子能量、更小的瑞利準(zhǔn)則極限光斑尺寸,結(jié)合飛秒脈沖的超高峰值功率,可作為極端制造的激發(fā)光源。 而不同的諧波轉(zhuǎn)換獲得的不同波長(zhǎng)飛秒脈沖具有各自適合的應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)二次諧波倍頻、三次諧波和頻、四次諧波倍頻可將紅外飛秒激光器擴(kuò)展為四波長(zhǎng)飛秒激光器,在科研和工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。1030nm紅外波段適用于透明材料的非線性加工;515nm綠光波段是生物成像和光伏研究的理想選擇;343nm紫外波段可用于微納加工和光譜分析;257nm深紫外波段則在半導(dǎo)體檢測(cè)和精密加工中表現(xiàn)卓越。這種多波長(zhǎng)集成系統(tǒng)能夠滿足不同工業(yè)和科研應(yīng)用場(chǎng)景的需求,成為一種多任務(wù)適用型光源,顯著提升激光器的使用效率并降低設(shè)備成本。
當(dāng)前市場(chǎng)上大多數(shù)飛秒激光器產(chǎn)品僅能提供單一或雙波長(zhǎng)輸出,多波長(zhǎng)系統(tǒng)往往需要多臺(tái)激光器組合使用,導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性差且成本高昂。進(jìn)口品牌如Coherent、Spectra-Physics等雖有個(gè)別的多波長(zhǎng)產(chǎn)品,但價(jià)格昂貴且維護(hù)成本高。國(guó)內(nèi)超快激光器廠商在紫外波段飛秒激光器領(lǐng)域的技術(shù)積累相對(duì)薄弱,特別是343nm和257nm波段的穩(wěn)定輸出仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。因此,開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的四波長(zhǎng)飛秒激光器具有重要的市場(chǎng)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。
圖1. 四波長(zhǎng)飛秒激光器產(chǎn)品基本組成結(jié)構(gòu)圖(本圖為示意圖,僅用于表明激光器布局設(shè)計(jì)思路,并非實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖,布局圖設(shè)計(jì)思想為:各波長(zhǎng)獨(dú)立倍頻腔、所有倍頻腔密封結(jié)構(gòu)、下置溫控及環(huán)境保持伺服系統(tǒng)、四路統(tǒng)一出光面 ) 奧創(chuàng)光子在二倍頻、三倍頻超短脈沖激光多年開(kāi)發(fā)和供貨的基礎(chǔ)上,推出基于1030nm紅外基頻光的四波長(zhǎng)飛秒激光器,其基本架構(gòu)為光纖啁啾脈沖放大(FCPA)結(jié)合固體MOPA方案獲得高功率、高能量近紅外飛秒脈沖,經(jīng)過(guò)電控式光路切換反射鏡導(dǎo)入二倍頻、三倍頻和四倍頻的諧波轉(zhuǎn)換腔內(nèi),在局部環(huán)境保持措施的輔助下,實(shí)現(xiàn)了高效率、高穩(wěn)定性的四波長(zhǎng)飛秒激光輸出。
圖2. 四波長(zhǎng)飛秒激光器結(jié)構(gòu)圖 該系統(tǒng)首先通過(guò)光纖振蕩器產(chǎn)生1030nm鎖模寬譜種子光,經(jīng)啁啾脈沖放大后進(jìn)入固體放大級(jí)提升能量。固體放大級(jí)采用了發(fā)射譜寬度較窄的Yb:YAG晶體,擯棄了盲目追求放大光譜寬度的做法,既容易提升放大功率,又在一定程度上減小了諧波轉(zhuǎn)換過(guò)程相位匹配光譜接受帶寬的制約,是有針對(duì)性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一舉兩得的措施。四次諧波產(chǎn)生是本系統(tǒng)的核心技術(shù)難點(diǎn),我們通過(guò)精密設(shè)計(jì)的非線性晶體序列(LBO+BBO組合)和優(yōu)化的相位匹配方案,成功實(shí)現(xiàn)了從紅外到深紫外的四倍頻轉(zhuǎn)換。特別設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)和光束整形透鏡組確保了各波段輸出激光束良好的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圓度。 本系統(tǒng)采用多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)確保高能倍頻過(guò)程的可靠性: 1)倍頻晶體高效散熱技術(shù),通過(guò)TEC冷卻和通光面熱沉優(yōu)化設(shè)計(jì),將晶體工作溫度波動(dòng)控制在±0.1℃以內(nèi); 2)倍頻晶體防損傷技術(shù),采用光束整形和高峰值脈沖擴(kuò)束設(shè)計(jì),使晶體表面功率密度低于損傷閾值; 3)倍頻腔內(nèi)潔凈環(huán)境管理技術(shù),通過(guò)正壓凈化和循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng),確保光學(xué)元件長(zhǎng)期穩(wěn)定工作; 4)倍頻晶體快捷維護(hù)設(shè)計(jì),以線下半成品封裝形式制造倍頻晶體安裝座,精密的機(jī)械式定位對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)支持倍頻晶體在使用壽命末期快速更換; 5)電控四波長(zhǎng)切換輸出技術(shù),用戶無(wú)需關(guān)機(jī)即可通過(guò)激光器軟件界面實(shí)現(xiàn)四種波長(zhǎng)之間的切換。 本產(chǎn)品主要輸出參數(shù)如下: 中心波長(zhǎng):1030nm(基頻)、515nm(二倍頻)、343nm(三倍頻)、257nm(四倍頻) 基頻光平均功率:50W 基頻光最大單脈沖能量:500μJ 脈沖寬度:640fs(基頻)、510fs(二倍頻)、440fs(三倍頻) 諧波轉(zhuǎn)換效率:二倍頻50%、三倍頻28%、四倍頻8%
87.5%(343nm)
90%(515nm)
93%(1030nm) 圖3. 四波長(zhǎng)激光器輸出各波長(zhǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖樣及圓度(四倍頻激光超出探測(cè)器響應(yīng)范圍) 測(cè)試數(shù)據(jù)顯示,三倍頻和四倍頻紫外飛秒激光的8小時(shí)功率穩(wěn)定性優(yōu)于1%(RMS),遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圓度>87.5%。為便于激光器用戶對(duì)不同波長(zhǎng)的光束的操控使用,倍頻腔體的四個(gè)輸出窗口設(shè)計(jì)為等高度,各窗口上方鮮明的顏色標(biāo)識(shí)容易識(shí)別;對(duì)于多波長(zhǎng)使用的場(chǎng)合,該激光器支持同時(shí)輸出紅外光-綠光組合、綠光-深紫外激光組合、紅外光-綠光-深紫外激光組合,為多光子激發(fā)、泵浦探測(cè)等應(yīng)用提供便捷。 轉(zhuǎn)自:奧創(chuàng)光子 注:文章版權(quán)歸原作者所有,本文內(nèi)容、圖片、視頻來(lái)自網(wǎng)絡(luò),僅供交流學(xué)習(xí)之用,如涉及版權(quán)等問(wèn)題,請(qǐng)您告知,我們將及時(shí)處理。
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