CN1545172A - 台式全固化高重复频率飞秒激光装置 - Google Patents

Abstract

一种台式全固化高重复频率飞秒激光装置，含有飞秒脉冲振荡器、脉冲展宽器、再生放大器和脉冲压缩器，其特点是所述的脉冲展宽器由光栅、凸透镜和凹面反射镜组成；所述的再生放大器由偏振片、普克尔盒、高反射凹面镜、钛宝石棒和反射镜组成；再生放大器的泵浦源是一台Q开关平面波导激光器；脉宽压缩器由反射镜、两平行放置的光栅和全反射镜构成。本发明的台式全固化高重复频率飞秒激光装置的输出平均功率可高达20W，比在先技术要高近30倍，可用于产生超紫外或X射线，在光刻、光通讯以及微加工技术中有着极其广泛的应用前景。

Description

台式全固化高重复频率飞秒激光装置

技术领域：

本发明涉及飞秒激光装置，特别是一种台式全固化高重复频率飞秒激光装置。这种飞秒激光装置具有很高的商业价值，将在激光先进制造业、X射线产生和光通讯方面有着广阔的应用潜力。

背景技术：

新型超短、超强激光的出现与迅猛发展，为人类提供了前所未有的全新研究手段和应用工具。特别在近年来，高重复频率、高平均功率的台式飞秒激光器在工业领域存在巨大的应用前景，已获得全世界的广泛关注。

飞秒激光在工业上的应用主要是烧蚀加工，它与纳秒激光的加工效果不同：由于激光与被加工件作用时间短，不会因产生等离子体而在材料周围形成融化层，因而能大幅度改善加工质量；由于避免了不必要的加热，烧蚀部分的化学组成不发生变化，能量利用率大大提高。飞秒激光加工的材料包括金属、陶瓷和半导体等不透明材料以及玻璃、电解质等透明材料。

飞秒激光在工业上还可开展深孔加工、切割及微机制造，如光子晶体等纳米结构的制造、三维光存储器的制造、在玻璃内部写入光波导等等。尤其是高重复频率、高平均功率的飞秒激光脉冲和靶材相互作用时，产生超紫外和X射线光脉冲用于光刻，其刻线特征尺寸可以小至0.1nm，这将为IT技术的发展铺平道路。在光通讯方面，高重复频率飞秒激光器也显示出广阔的应用前景。人们正试图用飞秒激光脉冲的傅立叶波形整形技术，应用于波分复用、时分复用和码分多址等大容量的光通讯中。

从上述讨论可以看出，人们正期盼一种台式全固化高平均功率的飞秒激光系统。

目前，德国一个研究所报道了他们最近完成的飞秒激光系统，它是由一级振荡器和一级放大器组成，输出脉冲能量为7个微焦耳，重复频率为100kHz，平均功率为0.7瓦，单个脉冲持续时间为150飞秒[参见在先技术：IEEE.J.Q.E，38，1645，2002]。这台激光装置输出平均功率还不到1瓦，在很大程度上，它还不能满足实际需求。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种台式全固化高重复频率飞秒激光装置，它是由飞秒振荡器和一级再放大器组成，输出脉冲能量达200微焦耳，脉冲宽度为150飞秒，重复频率为100kHz，平均功率达20瓦。

本发明的台式全固化高重复频率飞秒激光装置是基于啁啾脉冲放大原理构成的。锁模激光振荡器输出的宽带、低能量的超短脉冲，通常其重复频率约为10⁸Hz，脉冲能量在10^-9J，脉宽在飞秒的量级，通过一个由色散延迟元件，如光栅或光纤组成的展宽器，使其脉冲宽度得到10³-10⁵倍的展宽，从而使脉冲的峰值功率降低三个量级。然后，将展宽后的激光脉冲注入放大器中放大，以得到尽可能大的能量。由于此时的激光脉冲很宽，所以放大后的激光脉冲的光强仍低于激光增益介质的抗损伤阈值。把放大后的激光脉冲，再通过与展宽器共轭的色散元件压缩器，把放大后的激光脉冲压缩回原来的脉冲宽度。

本发明具体的技术解决方案如下：

一种台式全固化高重复频率飞秒激光装置，含有飞秒脉冲振荡器、脉冲展宽器、再生放大器和脉冲压缩器，其特征在于：

在飞秒脉冲振荡器和脉冲展宽器之间加一块反射镜和法拉第隔离器以及构成扩束望远镜的凸透镜和凹透镜；

所述的脉冲展宽器由光栅、凸透镜和凹面反射镜组成，所说的光栅是一块1200线/mm镀金全息光栅，入射角为38°，所说的凸透镜和凹面镜组成一个扩束望远镜系统，凸透镜的曲率半径R＝100cm，凹面镜的曲率半径为-50cm，凸透镜和凹面镜共心放置；

在脉冲展宽器和再生放大器之间，放置五块全反射镜，构成缩孔望远镜的凸透镜和凹透镜，偏振模板和法拉第隔离器；

所述的再生放大器由偏振片、普克尔盒、高反射凹面镜、钛宝石棒和反射镜组成，高反射凹面镜和反射镜组成谐振腔，普克尔盒放置在高反射凹面镜和偏振片之间，偏振片是一块按布儒斯特角放置在普克尔盒和反射镜之间的镀膜偏振板，钛宝石棒放置在反射镜和偏振片之间；

再生放大器的泵浦源是一台Q开关平面波导激光器，该Q开关平面波导激光器依次包括：全反镜、平面波导工作介质、声光调制器、偏振片、倍频晶体、输出镜，一平面波导的泵浦源与所述的平面波导工作介质平行放置；该泵浦源通过一高反凹面镜将泵浦源的激光聚焦到钛宝石棒中；

在再生放大器和脉冲压缩器之间放置有五块反射镜、偏振模板和构成扩束望远镜的凹透镜和凸透镜；

脉宽压缩器由反射镜、两平行放置的光栅和全反射镜构成，该两光栅是1200线/mm的镀金全息光栅，入射角为38°。

所说的偏振片和声光调制器，构成平面波导激光器的Q开关；所说的平面波导是一块长为60mm，宽为11mm，芯厚为200μm，上、下包层各为400μm的Nd:YAG片状激光棒，所说的Q开关平面波导激光器的泵浦源由10根激光二极管组成，所说的倍频晶体是一块将1064nm的光转换成532nm绿光的KDP晶体。

本发明的优点：

本发明的台式全固化高重复频率飞秒激光器的输出平均功率可高达20W，比在先技术要高近30倍，可用它来产生超紫外或X射线，在光刻、光通讯以及微加工技术中有着极其重要的应用前景。

附图说明：

图1是啁啾脉冲放大原理示意图

图2为本发明的台式全固化高重复频率飞秒激光器装置最佳实施例结构原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图2，图2为本发明的台式全固化高重复频率飞秒激光器装置最佳实施例的结构原理图。由图可见，本发明的台式全固化高重复频率飞秒激光器装置，由五部分组成：飞秒振荡器01、脉冲展宽器02、再生放大器03、再生放大器泵浦源04和脉冲压缩器05。

所说的飞秒振荡器01，是一个输出波长为803nm，钛宝石自锁模振荡器装置，激光腔为非对称X型，折叠角为16°，钛宝石棒作为工作介质，泵浦源为VERDI-5半导体激光器。当泵浦功率达到3.7W时，实现自启动锁模，如果改变棱镜对的插入深度，可以改变输出脉冲宽度。

飞秒振荡器是由8部分组成，泵浦源1，钛宝石棒2，凹面反射镜3，4，熔石英棱镜5，6，全反射镜7和输出耦合镜8，飞秒振荡器可以在市场上购买到。在飞秒振荡器和脉冲展宽器之间加一块反射镜9和法拉第隔离器10，以及构成扩束望远镜的凸透镜11和12。

所说的泵浦源1是一台VERDI-5半导体激光器，连续输出波长为532nm，用以泵浦钛宝石棒2。

所说的钛宝石棒2是一根长度为4.75mm，直径为5mm，掺杂钕离子浓度为0.15％的工作介质，两端面切成布儒斯特角。

所说的凹面反射镜3，4，其曲率半径为10cm，按近共焦方式放置于共振腔内，焦点置于钛宝石棒2内，其作用是获得较高的增益，并用以补偿与光轴成布儒斯特角放置的工作介质钛宝石棒导致的激光腔模的像散。

所说的熔石英棱镜5，6，是一对顶角为68°，放置间距为58.3cm色散棱镜，用以补偿由钛宝石棒2引起的色散。当改变棱镜对的插入深度，可以改变输出脉冲宽度。

所说的全反射镜7是用来构成飞秒振荡器谐振腔介质膜镜。

所说的输出耦合镜8是一块透过率为3.5％的介质膜镜。

所说的反射镜9是一块近45°全反射介质镜，用以飞秒振荡器中的激光引向脉冲展宽器。

所说的法拉第隔离器10，是用来防止任何光束返回到飞秒振荡器中的单向开关。

所说的透镜11和12是用来形成一个扩束望远镜，将飞秒振荡器中的光束扩束5-10倍以后，进入到脉冲展宽器中去。

脉冲展宽器02：在由飞秒振荡器输出的超短脉冲注入放大器之前，将频率线性调制，即引入啁啾量，将脉冲宽度增加一千到一万倍，这样将激光脉冲的峰值功率减低了，在放大过程中就可减少对增益介质的光学损伤以及由非线性效应引起的波面畸变。

频率的啁啾可以由激光脉冲通过光学材料，利用激光脉冲的自相位调制来展宽激光脉冲。自相位调制就是激光脉冲在介质中传输时，因光脉冲自己的光场引起介质折射率的变化，从而引起光脉冲波包的位相的变化。

自相位调制引起的频率移动为：

其中1是光在介质中传输的长度，λ₀为激光脉冲的波长，I为光强，η₂为折射率的非线性项。在实验室坐标系中，光脉冲的前沿的I/t＞0，δω＜0；后沿的I/t＜0，δω＞0。对于负色散的情况，v_g/ω＞0，所以脉冲的前沿速度变慢，而后沿的速度变快。因而使脉宽变窄，与之相反，如果光脉冲通过的为正色散的介质，则脉宽变宽。

最简单的展宽器是一段光纤，光脉冲通过光纤时，由于激光脉冲在光纤中的自相位调制的作用，使得激光脉冲在传播一定的距离后被展宽了，但是由于光纤给整个系统加入了难以用压缩器补偿的高阶色散，而且光纤作为展宽器，它的展宽比也受到限制，所以利用光纤作为展宽器很少应用在超短脉冲激光装置中。

为了获得更大的展宽比，人们利用了棱镜对或者光栅对，使不同频率的光沿着不同路径通过光学系统，从而使得不同频率的光通过的光程不同，这样就引入了啁啾量来控制激光脉冲的展宽。

本发明中的脉冲展宽器02是一种无像差的Offner光栅展宽器，它是由三部分组成，即光栅13，凸透镜14和凹面镜15。光栅13是一块1200线/mm镀金全息光栅，入射角为38°，其面积为110×110mm²，对803nm的一级衍射角为20.14°，衍射效率大于90％。

凸透镜14和凹面镜15组成一个扩束望远镜系统。凸透镜14曲率半径R＝100cm，凹面镜15曲率半径为-50cm。凸透镜14和凹面镜15共心放置，两个相距50cm。

在脉冲展宽器02和再生放大器03之间，放置全反射镜16，17，20，23，24，目的是将展宽光引入到再生放大器中。

所说的反射镜16和17是全反射镜，用于将展宽后的脉冲引入到再生放大器03中去。

所说的凸透镜18和凹透镜19组成一个缩孔望远镜系统，将从脉冲展宽器02中出射的光脉冲孔径缩小，然后注入到再生放大器03中去。

所说的反射镜20，23，24是全反射镜，既用来把展宽器中的脉冲注入到再生放大器中去，同时又把经再生放大器放大以后的脉冲送入到脉冲压缩器05中去。

所说的偏振模板21，是按布儒斯特角放置的镀膜偏振片，它能让水平偏振光通过，而让垂直偏振光反射。

所说的法拉第隔离器22，是用来隔离脉冲展宽器02和再生放大器03，只让从展宽器中的光进入再生放大器03，而不能倒流，但能进入到脉冲压缩器05中去。

再生放大器03：再生放大器与激光器的谐振腔的结构十分相似。由普克尔盒和偏振片组成的时间控制装置来控制的脉冲的注入，使激光脉冲在再生放大器的两面反射镜之间行进大约20个来回，然后将放大后的激光脉冲导出。由于泵浦脉冲和种子脉冲在再生放大器中重叠的很好，所以再生放大器的效率相对较高，因此再生放大器通常作为高功率激光装置的前置放大器。但由于光路中存在着普克尔盒和偏振片的高折射率的元件，在放大过程中给激光脉冲加入了高阶色散，而这些高阶色散不容易由压缩器的光栅对补偿，从而很难将激光脉冲压缩回原来的脉冲宽度。一般再生放大器应用于产生大于30fs激光脉冲的高功率激光装置中。

再生放大器03由偏振片25、普克尔盒26、高反射凹面镜27、钛宝石棒28和反射镜29组成。高反射凹面镜27的曲率半径为10m，高反射凹面镜27和反射镜29组成谐振腔，腔长1.8m。普克尔盒26是用来对再生放大器03进行振幅调制，重复频率为100kHz。

该普克尔盒26放置在高反射凹面镜27和偏振片25之间。偏振片25是一块按布儒斯特角放置的镀膜偏振板，它的作用是能让水平偏振光透过垂直偏振光反射。偏振片25放置在普克尔盒26和反射镜24之间。

钛宝石棒28，是一根直径为6mm，长为20mm的工作介质。钛宝石棒28放置在反射镜29和偏振片25之间。

所说的高反凹面镜27和全反镜29构成再生放大器的谐振腔，高反凹面镜设计时考虑到补偿高效率运转的钛宝石棒的热透镜效应。

再生放大器泵浦源04是一台Q开关平面波导激光器，这种激光器结构非常紧凑又能实现高效率、高平均功率、高光束质量和高稳定性工作。

Q开关平面波导激光器04由六部分组成：平面波导工作介质35，平面波导的泵浦源37，声光调制器34，偏振片33，全反镜36，输出镜32以及倍频晶体46组成。平面波导35是一块长为60mm，宽为11mm，芯厚为200μm，上、下包层各为400μm的Nd:YAG片状激光棒。偏振片33和声光调制器34，构成平面波导激光器的Q开关，重复频率为100kHz。Q开关平面波导激光器的泵浦源37是由10根激光二极管组成。倍频晶体46是一块将1064nm的光转换成532nm绿光的KDP晶体。透过50％的反射镜32和全反射镜36构成Q开关平面波导激光器的谐振腔。腔长0.8m。

平面波导放置在全反射镜36和声光调制器34之间，声光调制器34紧靠平面波导端面放置。偏振片33放置在声光调制器34和倍频晶体46之间。倍频晶体46紧靠输出镜32放置。

Q开关平面波导激光器04输出532nm绿光，经全反镜31和高反凹面镜30引入到再生放大器03中作泵浦光。

在再生放大器03和脉冲压缩器05之间放置有反射镜23，24，38，41，42，偏振模板21和构成扩束望远镜的凹透镜39和凸透镜40脉冲压缩器。目的是将再生放大器03中的光引入到脉冲压缩器05中去。

脉冲压缩器05与脉冲展宽器02正好相反，是利用负色散延迟线，使脉冲回复到先前的形状，光栅对平行放置(在脉冲展宽器中，光栅对成八字形放置)，并且光栅的放置应该使光束的入射角和衍射角和脉冲展宽器相一致。脉冲压缩器所使用的光栅与脉冲展宽器的光栅参数应完全相同。理论上，这种排布完全可以消除由于展宽器而引起的正频率啁啾，使脉冲压缩到展宽前的宽度，但实际上，由于光脉冲在展宽以及放大过程中的高阶色散的引入，使压缩后的脉宽比展宽前的要宽。

脉宽压缩器05由反射镜42、两块光栅43和44及全反射镜45构成，光栅43和44平行放置，是1200线/mm镀金全息光栅，入射角为38°。脉冲经压缩以后，可以得到脉冲展宽前的同等水平。

本发明的工作情况如下：

当飞秒激光振荡器01开始运转时，一个输出150飞秒、重复频率为100kHz、单脉冲能量为纳焦耳-超短脉冲，经全反射镜9到法拉第隔离器10，并由透镜11和12组成的扩束望远镜将光束直径扩大到Φ50mm后，注入到脉冲展宽器02的光栅13，经光栅13衍射以后，进入到由凸透镜14和凹面镜15组成的望远系统，再次进入到光栅13，将脉冲展宽到80PS量级，经全反镜16，17后，通过由透镜18和凹透镜19组成的缩孔系统以后，光束直径为6mm左右。缩小后的光束经全反镜20，偏振模板21和法拉第隔离器22，全反镜23，24，注入到再生放大器03中去，由偏振模片25和普克尔盒26组成的时间控制装置来控制脉冲的注入，再生放大器的泵浦源04即Q开关平面波导器放大器要和注入脉冲同步，使激光脉冲在再生放大器03的两个反射镜27和29之间行进大约20个来回，然后将放大后的激光脉冲经反射镜24、23、偏振片21、反射镜38和由凹透镜39透镜40组成的扩束望远镜，再经全反镜41，42进入到脉冲压缩器05的光栅43和44中去，反射镜45的作用在于让脉冲再次经过光栅44和光栅43压缩后输出，可获得脉冲为150飞秒、重复频率为100kHz，波长800nm，单脉冲能量为200μJ，平均功率达20W的输出。这种激光系统极具商业价值，在微加工、X射线产生和光通讯方面有很大的应用前景。

Claims (2)

1、一种台式全固化高重复频率飞秒激光装置，含有飞秒脉冲振荡器(01)、脉冲展宽器(02)、再生放大器(03)和脉冲压缩器(04)，其特征在于：

在飞秒脉冲振荡器(01)和脉冲展宽器(02)之间加一块反射镜(9)和法拉第隔离器(10)以及构成扩束望远镜的凸透镜(11)和凹透镜(12)；

所述的脉冲展宽器(02)由光栅(13)、凸透镜(14)和凹面反射镜(15)组成，所说的光栅(13)是一块1200线/mm镀金全息光栅，入射角为38°，所说的凸透镜(14)和凹面镜(15)组成一个扩束望远镜系统，凸透镜(14)的曲率半径R＝100cm，凹面镜(15)的曲率半径为-50cm，凸透镜(14)和凹面镜(15)共心放置；

在脉冲展宽器(02)和再生放大器(03)之间，放置全反射镜(16、17、20、23、24)，构成缩孔望远镜的凸透镜(18)和凹透镜(19)，偏振模板(21)和法拉第隔离器(22)；

所述的再生放大器(03)由偏振片(25)、普克尔盒(26)、高反射凹面镜(27)、钛宝石棒(28)和反射镜(29)组成，高反射凹面镜(27)和反射镜(29)组成谐振腔中，普克尔盒(26)放置在高反射凹面镜(27)和偏振片(25)之间，偏振片(25)是一块按布儒斯特角放置在普克尔盒(26)和反射镜(24)之间的镀膜偏振板，钛宝石棒(28)放置在反射镜(29)和偏振片(25)之间；

再生放大器(03)的泵浦源(04)是一台Q开关平面波导激光器，该Q开关平面波导激光器依次包括：全反镜(36)、平面波导工作介质(35)、声光调制器(34)、偏振片(33)、倍频晶体(46)和输出镜(32)，平面波导的泵浦源(37)与所述的平面波导工作介质(35)平行放置；该泵浦源(04)通过一高反凹面镜(30)将泵浦源(04)的激光聚焦到钛宝石棒(28)中；

在再生放大器(03)和脉冲压缩器(05)之间放置有反射镜(23、24、38、41、42)、偏振模板(21)和构成扩束望远镜的凹透镜(39)和凸透镜(40)；

脉宽压缩器(05)由反射镜(42)、光栅(43)、光栅(44)和全反射镜(45)构成，光栅(43)和(44)平行放置，是1200线/mm的镀金全息光栅，入射角为38°。

2、根据权利要求1所述的飞秒激光装置，其特征在于所说的偏振片(33)和声光调制器(34)，构成平面波导激光器的Q开关；所说的平面波导(35)是一块长为60mm，宽为11mm，芯厚为200μm，上、下包层各为400μm的Nd:YAG片状激光棒，所说的Q开关平面波导激光器的泵浦源(37)由10根激光二极管组成，所说的倍频晶体(46)是一块将1064nm的光转换成532nm绿光的KDP晶体。