劉 斌，王彬宇，劉 崇，李齊良，胡 樂，陳 龍

(1.浙江大學光電科學與工程學院，浙江 杭州 310027；2.杭州電子科技大學通信工程學院，浙江 杭州 310018；3.浙江東通光網(wǎng)物聯(lián)科技有限公司，浙江 湖州 313009)

0 引 言

高功率皮秒激光器具有高峰值功率、窄脈沖寬度和非接觸式加工等優(yōu)勢[1-2]，日益成為手機等智能終端屏幕面板切割行業(yè)的主要設備。目前，皮秒激光器的應用向著更短波長方向發(fā)展，對于面板的切割，波長為343 nm或者355 nm的超短脈沖紫外激光器有著十分明顯的優(yōu)勢[3]，獲得適應工業(yè)生產(chǎn)的高功率皮秒紫外激光器有著重要的研究意義。為此，法國的EOLITE Systems公司[4-5]、德國TRUMPF公司[6]、Edgewave公司[7]以及康斯坦茨大學[8]，國內的中科院半導體所[9]、中電十一所[10]和北京工業(yè)大學[11]等都投入大量資金及人力物力展開深入研究。其中三倍頻都采用了腔外倍頻的方式，技術相對較為成熟，而在紅外激光的產(chǎn)生方式上則有較大的技術差異。德國TRUMPF公司采用了碟片介質的方案，Edgewave公司采用了板條介質的方案，北京工業(yè)大學等采用了光纖介質的方案，這些方案都是通過合理避免增益介質的熱效應來獲得光束質量優(yōu)良的紅外激光，從而獲得更高的非線性轉換效率。其中碟片和板條介質的方案過于復雜，技術難度大，而光纖介質的方案難以獲得大能量激光輸出。

相較于其他機構的研究，本文通過端面泵浦固體介質對光纖鎖模皮秒種子源進行功率放大，實現(xiàn)高功率紅外激光輸出，采用球差補償?shù)姆绞剑ＷC了基頻光的光束質量，解決了塊狀固體增益介質在強泵浦條件下由于熱管理能力差所導致的光束質量惡化問題，并保障了后續(xù)非線性轉換過程中的轉化效率。整套激光器系統(tǒng)具有結構簡單，平均功率高，穩(wěn)定性強等優(yōu)點。

1 高功率皮秒激光放大器的實驗探究

高功率的紅外皮秒激光通常采用主振蕩功率放大(Master Oscillator Power Amplifier，MOPA)的方式獲得，種子光功率通常只有毫瓦量級，所以必須經(jīng)過高增益放大器來實現(xiàn)功率放大，要獲得功率大于30 W的紫外激光，通常需要有功率達到100 W量級的高功率紅外激光輸出，同時還要求紅外激光具有優(yōu)良的光束質量，從而保證后續(xù)的非線性轉換過程獲得良好的相位匹配從而得到更高的轉換效率。因此，高功率皮秒激光器的研發(fā)難點主要在于紅外激光在放大過程中獲得高增益的同時，如何控制放大后激光的光束質量以及如何避免放大器內部器件因承受高峰值功率而損壞，放大的功率越高則困難越大。

目前常用的高增益放大器主要有光纖放大器、再生放大器以及多程行波放大器。光纖放大器優(yōu)點是輸出功率高，放大增益高，結構簡單穩(wěn)定，制作成本相對較低，不足之處是受光纖非線性影響，無法獲得高單脈沖能量輸出。再生放大器優(yōu)點是放大器增益高，容易獲得大能量單脈沖輸出，缺點是系統(tǒng)結構復雜，同時電光開關需要高壓，制作難度大，成本過高。多程行波放大器的優(yōu)點是結構簡單，穩(wěn)定可靠，制作成本低，容易獲得高功率高單脈沖能量輸出，不足是單級放大增益小，但可以通過增加放大級數(shù)來獲取需要的增益。

基于上述比較，本文選擇基于端面泵浦Nd∶YVO4的行波放大器來實現(xiàn)高功率的紅外激光輸出。放大器的結構如圖1所示，整個系統(tǒng)由3部分組成，分別是光纖部分包含皮秒種子源以及光纖預放大器、一級Nd∶YVO4前置放大器和四級單通Nd∶YVO4后置放大器。后置放大器采用單通放大的原因在于輸入信號為大信號，多通放大的提取效率并沒有顯著增加，同時多通放大還存在寄生振蕩的可能性，增加了系統(tǒng)的復雜度。

鎖模皮秒種子源為光纖鎖模激光器(Ekspla公司FP100型號)，輸出激光的脈沖重復頻率為40 MHz，平均功率為40 mW，脈沖寬度為6 ps。內置的脈沖選擇器(pulse picker)可以實現(xiàn)對脈沖序列的降頻功能。

圖1 光纖-固體混合激光系統(tǒng)總體結構原理圖

圖1中，種子源部分采用脈沖重復頻率為500 kHz，平均功率為0.5 mW的激光作為光纖預放的輸入信號，經(jīng)過隔離器1(ISO1)進入光纖預放大器，光纖預放大中，利用芯徑為6 μm的單模保偏增益光纖對輸入激光進行放大，可獲得30 mW的激光輸出。光纖預放大器輸出的光束被準直透鏡耦合后經(jīng)過隔離器2(ISO2)進入前置Nd∶YVO4放大器(圖1的右下方)，隔離器2由偏振分光鏡(PBS)，法拉第旋光器(FR)和半波片組成，以防止回返光引起的器件損傷。由于光纖預放大的信號仍為小信號，圖1中采用Nd∶YVO4作為增益介質，通過高反鏡(HR)利用雙程放大的方式來提高放大器增益，通過透鏡將光束耦合到第一級前置放大器中。前置放大器采用了YVO4/Nd∶YVO4復合晶體，在Nd∶YVO4晶體前端鍵合了2 mm未摻雜的YVO4端帽以降低熱效應。Nd∶YVO4晶體摻雜濃度為0.3 at.%，長度為8 mm，橫截面為3 mm×3 mm，晶體端面鍍有808 nm和1 064 nm的減反射膜，其中對1 064 nm的反射率小于0.2%，對808 nm反射率小于2%。復合晶體用銦膜包裹后安裝在紫銅熱沉中，熱沉通水冷卻，溫度控制在20±1 ℃。泵浦光源(LD)為德國DILAS公司生產(chǎn)的芯徑400 μm光纖耦合輸出激光二極管，激光波長808 nm，輸出功率30 W，數(shù)值孔徑為0.22。從隔離器2輸出的光束進入后續(xù)四級Nd∶YVO4后置放大器(圖1的右上方)，這四級放大器均采用單程單端泵浦放大的方式，晶體的夾持方式及鍍膜參數(shù)與一級前置放大器保持一致，也采用YVO4/Nd∶YVO4復合晶體作為增益介質，YVO4端帽長度2 mm，Nd∶YVO4晶體長度15 mm，摻雜濃度0.3 at.%。泵浦光源為美國nLight公司生產(chǎn)的芯徑400 μm光纖耦合輸出激光二極管，激光波長808 nm，輸出功率70 W，數(shù)值孔徑為0.22。使用文獻[12-13]方法對熱效應導致的球差進行補償，通過對每一級增益介質泵浦光光斑大小的調節(jié)，入射激光光斑大小的調節(jié)，優(yōu)化填充因子，實現(xiàn)了放大功率和光束質量的優(yōu)化，同時避免高峰值功率導致的激光損傷。抽運效率反映了每一級放大器對泵浦能量的提取效率。實驗系統(tǒng)采用五級放大結構，第一級放大后光束質量因子為1.26，第二級放大后光束質量因子惡化為1.43，第三級放大后進行了球差補償，使光束質量因子優(yōu)化為1.28，第四級放大后光束質量因子又產(chǎn)生了惡化，達到了1.65，第五級放大后進行了球差補償，使光束質量因子優(yōu)化為1.25，整個過程光束質量由惡化到改善，通過球差補償提升了放大激光的光束質量，五級放大后，系統(tǒng)獲得了百瓦量級近衍射極限的激光輸出。使用自相關儀(來自德國APE GmbH)的PulseLink軟件測量輸出基頻光的脈沖寬度，相比于種子源的 6 ps有所展寬，達到12.5 ps，這是由增益窄化效應導致的譜寬變窄引起的。使用Spiricon公司的SP620光束質量分析儀，采用圖像處理軟件BeamGage測量放大過程中的光束質量，表1給出了不同放大級的輸出功率、抽運效率及光束質量的變化情況，最終輸出激光的自相關曲線(藍線為測量值，紅線為擬合值)和光束質量圖如圖2所示。

表1 不同放大級的輸出功率、抽運效率和光束質量

圖2 自相關儀和光斑分析儀的測量結果

2 LBO三倍頻實驗探究

近年來，隨著紫外非線性晶體性能的提升以及晶體表面鍍膜技術的發(fā)展，非線性晶體的損傷閾值得到進一步提高，已經(jīng)能夠滿足高功率皮秒激光三倍頻的要求，常用的非線性晶體有LBO,BBO,KDP,BIBO,CLBO,CBO等[14-16]，其中LBO晶體具有損傷閾值高、走離角小等優(yōu)點，同時具有穩(wěn)定的物理化學性質，因此，本文選用LBO晶體作為獲得紫外激光輸出的非線性晶體。紫外倍頻實驗的光路如圖3所示，主要分為二倍頻實驗和三倍頻實驗。

圖3 二倍頻和三倍頻的實驗原理圖

圖3(a)中，1 064 nm激光首先經(jīng)過一個光強調節(jié)系統(tǒng)(λ/2波片和偏振分光鏡組成)，然后經(jīng)過多個反射鏡(M1～M4)后進入二倍頻LBO晶體。反射鏡M2和M3之間放置由2個透鏡組成的光束耦合系統(tǒng)，用以調節(jié)進入LBO晶體中的激光光斑大小。經(jīng)過LBO晶體后的激光通過分光鏡M5(532 nm高反射率和1 064 nm高透過率)，532 nm激光被反射鏡反射，并用功率計測量功率，殘余的1 064nm激光透過反射鏡M5，進入光學陷阱。二倍頻LBO晶體采用I類非臨界相位匹配，晶體切割角度為θ=90°，φ=11.2°，晶體長度15 mm，橫截面尺寸為5 mm×5 mm，晶體表面鍍有雙波長增透膜。晶體用紫銅夾具固定，放置在恒溫加熱箱中，晶體溫度設置為45 ℃。LBO晶體的非線性轉換效率對溫度較為敏感，為了得到功率穩(wěn)定的倍頻激光輸出，晶體溫度可以自由調節(jié)，控溫精度為0.01 ℃。通過優(yōu)化LBO晶體內部入射激光的光斑直徑和晶體的溫度，倍頻獲得532 nm激光的最大功率可以達62 W。

圖4 紫外355 nm激光的光束質量

圖3(b)的三倍頻實驗中，將2塊LBO晶體擺放在一起，三倍頻LBO晶體為II類相位匹配，晶體的切割角為θ=42.2°，φ=90°。晶體入射面鍍有1 064 nm和532 nm雙色增透膜，出射面采用拋光處理，減少紫外光引起的LBO晶體損傷。為了使三倍頻的效率達到最大，需要通過對耦合透鏡進行設計調整，通過調整進入LBO晶體的光斑大小，實驗獲得30.3 W紫外皮秒激光輸出三倍頻的效率大于30%。通過Spiricon公司的SP620光束質量分析儀以及Beamgage軟件測量了輸出紫外激光的光束質量，測量結果如圖4所示，激光的M2因子小于1.2，光強分布接近高斯型，但是具有輕微的像散特性。將本文取得的實驗結果與研究機構及激光公司研究成果進行比較，結果如表2所示。

表2 不同研究機構及激光公司的紫外激光器參數(shù)比較

由圖4可以看出，由于基頻光的高光束質量，三倍頻后的紫外激光依然保證了良好的光束質量，而更優(yōu)異的光束質量可以保證在工業(yè)生產(chǎn)中更優(yōu)異的加工效果和良品率。由表2可以看出，本文的和頻效率達到了國際先進，國內領先的水平，相較于國外激光器公司脈沖頻率更低，峰值功率更高，這將在工業(yè)加工上具有更大優(yōu)勢。

3 結束語

本文采用塊狀固體增益介質Nd∶YVO4作為放大器進行了紫外激光的實驗研究，研究表明，光纖固體混合放大的方式，是實現(xiàn)高功率紫外皮秒激光輸出的有效方法，運用鎖模皮秒光纖種子源加多級端面泵浦Nd∶YVO4放大的結構，相較于再生放大技術、其他類型增益介質如板條和碟片的方式具有技術成熟度高，結構簡單，穩(wěn)定性強的特點，具有較高的性價比。本文采用增益介質自身的球差補償方法解決了強泵浦條件下多級放大中光束質量的惡化問題，實現(xiàn)了高功率高光束質量的激光輸出。本文研究的激光器可廣泛應用于科學研究及工業(yè)加工中，尤其是面板等脆性材料的切割，具有重要的應用價值。