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      超快激光不再只是快 - AMPHOS公司超高平均功率超快激光系統

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      自上世紀60年代鎖模技術問世以來,更窄更強的激光脈沖是人們不斷追求的目標,各種優質的超快固體增益介質也被探索出來。摻鈦藍寶石(Ti:sapphire)鎖模激光器及其啁啾脈沖放大技術在很時間內引領了飛秒超快激光的快速發展與繁榮。時至今日,若要實現超高峰值功率(比如PW激光器),鈦寶石激光器仍是一枝獨秀。

      鈦寶石晶體具有優良的熱導性、高損傷閾值等特點,其熒光發射波長覆蓋了600~1100nm的范圍,所以可以獲得<10fs的脈沖寬度,這也是其可支持超高峰值功率(峰值功率=單脈沖能量/脈沖寬度)的根本原因。

      鈦寶石因其獨特優勢到目前為止還沒有其它增益介質可以完全將其替代,但它也有無法忽視的缺點,從能量轉化的角度來看,實現激光運轉需要經歷十分復雜過程,如圖1所示,以532nm泵浦的鈦寶石激光為例,需要經歷:


      · 由電壓/電流驅動閃光燈或半導體激光器,從而產生激發Nd:YAG晶體的泵浦光;

      · Nd:YAG激光器輸出1064nm激光;

      · 1064nm激光脈沖倍頻后產生的532nm綠光作為激發鈦寶石晶體的泵浦光;

      · 532nm綠光泵浦鈦寶石晶體輸出寬帶的800nm的激光脈沖。


      圖31.jpg

      圖1 鈦寶石激光器能量轉換圖


      鈦寶石激光器經過復雜的能量虧損和產熱過程,不僅轉換效率低,而且無法實現高重復頻率的輸出,也就無法獲得較高的平均功率,這大大地限制了鈦寶石激光器在更廣領域的應用,尤其是無法在工業場景中大顯身手。


      除了鈦寶石,摻雜稀土元素鐿(Ytterbium,符號Yb,原子序數70)的激光晶體也是飛秒激光器的典型增益介質,常見的有Yb:YAG、Yb:fiber、Yb:KGW、Yb:CaF2以及Yb:Glass等。以應用最為廣泛的Yb:YAG為例,它在940nm處有吸收峰,恰好有成熟的半導體激光器與之對應,940nm半導體激光器直接泵浦Yb:YAG晶體就可以輸出寬帶的1μm激光,大大地簡化了中間轉化過程,如圖2所示,其吸收波長和發射波長十分接近,斯托克斯損耗小于10%,轉換效率非常高,堪稱完美的選擇!雖然摻Yb介質的增益帶寬遠遠窄于鈦寶石晶體,無法實現和鈦寶石一樣窄的激光脈沖,但百飛秒量級的脈沖寬度已經可以滿足非常豐富的應用場景的需求。


      圖32.png


       2 Yb:YAG激光器能量轉換圖


      隨著啁啾脈沖放大技術的成熟、摻Yb激光增益介質生長工藝和高功率半導體激光器的進步,近幾年基于摻Yb介質的超快激光器取得了迅猛的發展,其主要有三種類型:光纖超快激光器、薄片超快激光器和板條超快激光器。


      目前市場上已有成熟的低于一百瓦、幾百飛秒的高重頻光纖超快激光器在工業領域取得了廣泛的應用。光纖激光器具有低閾值、高效率、結構緊湊等特點,但光纖的芯徑僅為微米量級,單臺光纖飛秒激光器只能實現百微焦量級的脈沖能量,這不能滿足一些特殊應用場景對單脈沖能量和平均功率的雙重要求,例如阿秒科學、太赫茲、非線性光學、極端材料加工等科研和工業應用,目前最先進的光纖相干合成技術也僅可以實現毫焦量級的單脈沖能量,而且系統復雜,尚未大規模成熟應用。

      板條激光器和薄片激光器的激光介質的通光孔徑不受限制,所以恰好可以突破脈沖能量的局限。下面將主要介紹端面泵浦的板條激光器(InnoSlab),我們會在下一篇文章中重點介紹基于薄片介質的超快激光器。

      板條激光技術并不是一種新的技術,早在20世紀初科研人員就已經成功通過板條技術獲得了100kW的連續激光輸出。我們都熟知多模半導體激光器在XY兩個方向上發散角區別很大,它的輸出光束的橫截面是長條形狀的,InnoSlab本身也是條狀,恰好適應了半導體激光器的這一特點,因此InnoSlab激光器無需對泵浦光進行特別復雜的整形,如圖3所示,InnoSlab端面泵浦結構非常簡單。


      圖33.jpg

      InnoSlab的泵浦結構


      在Innoslab晶體中,溫度梯度發生在板條厚度方向上,泵浦光在厚度方向上被充分吸收,發熱源與散熱源的溫度極為接近,可基本避免熱透鏡效應和熱光畸變效應,大幅度提高了激光輸出功率。


      作為Innoslab超快激光器著名制造商之一的德國AMPHOS,成立于2010年,是夫瑯和費技術研究院和德國亞琛工業大學孵化的公司,現擁有員工50余人,總部位于Herzogenrath科技園區,占地面積1200m2。2018年1月,AMPHOS公司被TRUMPF集團收購,成為其全資子公司。

      AMPHOS主要致力于InnoSlab放大技術的超高功率超快激光器研發,服務于工業和科研市場!目前在世界上的各大主要市場都占有重要份額,包括德國、日本、韓國和美國,尤其在加速器領域表現極其優異,其獨特的高重復頻率和“Burst mode”技術獨霸德國DESY和美國SLAC的需求,現最高可獲得2萬瓦的平均功率輸出,其技術指標和實物圖如圖4所示。


      圖34.jpg

      圖4 AMPHOS公司用于加速器領域的Burst Mode超快激光器


      對于應用于工業領域的標準產品,AMPHOS的技術路線是將飛秒種子激光注入InnoSlab放大器中,結合啁啾脈沖放大技術,最高可輸出1kW(20mJ@50kHz)的脈沖激光,他們設計的InnoSlab放大器的結構如圖5所示:


      圖35.jpg

      5 AMPHOS公司InnoSlab放大器的結構示意圖


      目前AMPHOS已擁有四個系列的標準產品,其主要參數如表1所示:

      表1 AMPHOS公司標準產品參數表


      圖36.jpg圖36.jpg


      波量科技作為AMPHOS公司在中國、新加坡和馬來西亞地區的獨家代理,多年來專注于超快激光的技術及服務,未來將攜手國際最頂尖超快激光品牌和最先進的激光技術為工業和科研客戶提供兼具高平均功率和高峰值功率的超快激光系統,結合波量科技豐富的自主研發能力,同時為客戶提供超快激光產品及應用的全面解決方案,熱烈歡迎廣大客戶垂詢!

      下期預告:下期文章將為大家介紹波量科技獨家代理的薄片超快激光—Trumpf Scientific Lasers,敬請期待!

      作者簡介:

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      劉飛飛

      畢業于長春理工大學光學專業-碩士,曾供職于長春新產業光電技術有限公司和北京凱普林光電科技股份有限公司,現為波量科技的區域銷售經理,負責華北、西北和東北地區市場推廣和銷售業務。

      電話:16601026255(微信同號)   

      郵箱:f.liu@wavequanta.com





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