工业光纤皮秒激光器及其在材料加工中的应用
作者简介
朱晓农:杭州银湖激光科技有限公司和AdValue PhotonicsInc高级工程师，主要从事超快激光器与应用方面的研究。
蒋立佳:杭州银湖激光科技有限公司和AdValue PhotonicsInc，高级工程师，主要从事超快激光器应用与装备方面的研究。
王青:AdValue PhotonicsInc，技术总监，主要从事光纤激光器的研究。
蒋仕彬:杭州银湖激光科技有限公司创始人，AdValue PhotonicsInc，首席执行官，主要从事光纤与光纤激光器的研究。
引言
近几年来，随着光电器件与激光系统集成技术的日趋成熟，以及对光脉冲与材料瞬态相互作用机理认识的不断深入，超短脉冲激光在工业生产诸多应用领域迅猛拓展。尤其引人注目的是以性能优越、高度稳定可靠的超短脉冲激光器为核心的新型激光加工机，已然成为计算机、通讯与消费电子产品(所谓3C)制造业中不可或缺的先进生产工具和关键产线装备。
众所周知，无论是皮秒脉冲还是飞秒脉冲工业激光器，除了对稳定性的严苛要求外(如能在24h47D条件下长期可靠运转)，对输出激光的平均功率水平和单脉冲能量大小的指标通常要高于在科研、测量、通信等领域中应用的情况。对脉宽在皮秒或飞秒量级的超短脉冲激光而言，这决定了很多情况下都需采用光振荡器+光放大器的光学结构。即先由光振荡器(又称种子源)，产生能量或平均功率均较低的种子光脉冲，而后再由光放大器将其单脉冲能量或平均功率放大提高。在技术上这样做的一个主要优点，是可以有效地避免由于光脉冲峰值功率密度过高导致光学器件损伤。在这样的情况下，不少下游用户会进一步关注皮秒激光与飞秒激光的区别。下面我们首先对此予以简要讨论，而后AdValuePhotonics公司生产的工业皮秒光纤激光器为例，实际探讨其技术及应用。
皮秒光纤激光器与飞秒光纤激光器的特征比较
由干同样的脉冲能量下脉宽越短，脉冲峰值功率便越高，这意味着同样情况下的飞秒激光损伤问题将比皮秒激光更严重。因此，工业用皮秒光纤激光器的生产制造与飞秒光纤激光器相比要容易很多。特别是在两者均采用主振荡器+放大器，即所谓MOPA(Master Oscillator and Power Amplifier)技术方案的情况下，不仅皮秒种子源的制造要易于飞秒种子源，而且，更为重要的是脉宽10ps或更宽的皮秒光纤激光器一般可以不需要使用脉冲展宽器与压缩器，从而避免了光在光波导与自由空间之间的转换及相应的较为复杂的光路调整，并使整个系统的光学结构大为简化。一方面显著降低了物料和制作成本，另一方面也使激光系统在可靠性和小型化上展现优势。
如图1为对数坐标下，4种不同能流密度的光强-脉宽曲线，以及不同脉宽情况下熔融石英玻璃林料的相应特征色散长度(后者的计算中假定激光波长为1um、脉冲波形为高斯型)。为便于比较，图中从右向左分别加入了50ps，10-15ps，200fs，50fs的4条标注线。由图1中的数据可以清楚地看出，脉冲能流密度一旦确定后，脉宽越窄，脉冲峰值光强则越高。换言之，同样的能流密度下，皮秒脉冲激光所对应的峰值光强或光功率密度远低于飞秒激光的光强。相对飞秒而言，皮秒激光器的单脉冲能量可以做得较高，并保持相对安全。这也就是说，在较高脉冲能量下，皮秒激光不像飞秒激光那样易干导致光器件损伤。
根据色散长度的定义，它代表无啁啾脉冲受光路中二阶色散影响、脉宽增加2倍所对应的传输长度。从图1中看出，由于色散长度与脉冲宽度的平方成正比，皮秒脉冲对应的色散长度在米的量级以上，而飞秒激光脉冲对应的色散长度则在厘米乃至毫米量级。这是产生皮秒脉冲基本上无需顾及色散影响，而处理飞秒脉冲则必须要考虑色散因素的原因所在。图1中的4条竖线与不同能流线相加之处对应截然不同的(峰值)光强这一特性表明，实际应用中，皮秒激光加工与飞秒激光加工在光强-脉宽图上所对应的工作点是截然不同的。
此外，用干工业加工的皮秒光纤激光器的光脉冲峰值功率，在大多数情况下可以控制在自聚焦临界功率以下，因此在使用当中，通常可以像长脉冲那样来对待，而无需像飞秒激光那样，必须非常关注色散与光致非线性效应的影响。从光与物质相互作用的特性来说，许多材料包括绝大多数的金属、陶瓷、塑料等有机大分子材料等，其对外部电磁激励的微观响应时间一般在皮秒及以上量级，这意味着，对这些材料的加工，一定宽度的皮秒脉冲足以显著减小或抑制热影响区(HAZ)的产生。实际应用中，在很多情况下，使用皮秒激光可以兼顾飞秒激光的精准和纳秒激光的高效，同时克服飞秒激光加工效率低、造价高和纳秒激光加工精度不够的缺点。这方面的一个突出例子，便是使用皮秒激光进行各种超薄玻璃的加工包括外形市寸划片、切割、钻小孔等。皮秒激光高精细度打标则是另一个十分重要的应用实例.
皮秒光纤激光技术性能
本文以adValue Photonics公司生产的皮秒光纤激光器为例，介绍一种采用全光纤放大的光学结构，一款由 AdValue Photonics公司生产的皮秒光纤激光器。激光波长1030nm(亦可通过加入倍频晶体产生515nm的激光输出)脉冲宽度15-50ps，最大平均功率100W脉冲重频50-8000kHz，可预设脉冲串工作模式脉冲串内脉冲数1-25。此种结构使得光纤激光器具有效率高，光斑质量好，稳定性好，以及在高功率条件下的高增益等突出特点。图2为脉宽15ps，脉冲重频2MHz的皮秒光纤激光器典型输出功率曲线，输出平均功率50W。
图2脉宽却ps、脉冲重频2MHz皮秒激光全光纤放大器的典型输出功率曲线。
图3给出经8倍扩束后的皮秒脉冲激光束的空间特性测量结果，其光斑椭圆度为0.95。相应的M 测量值通常小于1.2。
图4给出皮秒绿光长时间功率稳定性测试结果。在连续烤机时间超过250小时情况下功率起伏 RMS 值<1%。图5是皮秒光纤激光器重频300kHz时的倍频功率曲线。图5中最大电流处对应的 SHG 倍频效率约为33%。
工业光纤皮秒激光器应用实例
以下介绍种皮秒加工透明或硬脆性材料的案例，使用50w皮秒激光器，1030nm波长，50ps脉冲宽度。图6(a)为厚度05mm薄玻璃表面小孔阵列皮秒激光加工样品，孔径小于100um，单孔加工时间小于1s，孔型垂直无锥度，崩边可控制在0-10um之内。
另外，蓝宝石与陶瓷等硬脆材料也可利用皮秒激光进行高质量与高效率切割或打孔，如图6(b)和（c)所示，6mm孔径超浦氧化锆陶瓷(星度120um)与1mm小孔蓝宝石切割(0.5mm早)，加工边缘平滑，无可见崩边。通过高速扫描、多层去除打孔方式，结合皮秒超短脉冲，mm级别直径打孔或晶片切割可在10s内加工完成。此类加工方式可应用干移动终端摄像头保护镜片、麦克风孔等加工与制造。此外，配合使用光束整形等技术，皮秒激光已经广泛应用干蒲玻璃盖板、柔性玻璃等透明材料异性切割，具有切割速度高、加工灵活等优点，并且光滑切割边缘有效保证了弯曲强度，样品不易在后续加工或使用中损坏。
高精细度打标是皮秒激光的另一特色应用。相比传统纳秒激光打标，皮秒高精细度打标可实现不随视角变化而改变的永久性黑色标识，并在承受消毒清洗与钝化循环过程后，仍具有优秀的抗腐蚀性。各7为医用不锈钢镊子样品，带有激光打印唯一器械标识一维码。各中所示加工样品使用30W超短脉冲激光，采用逐线扫描方式加工表面黑色均匀，线条结构清晰，边缘整齐，无可见热影响区，加工时间小干2min。
其次，应对传统金属材料以及复合材料精细加工需求，皮秒激光作为一种不可或缺的加工工具，相关加工工艺具有重要研究开发价值。图8为铜材表面的去除，表面均匀，达到铜材级粗糙度，去除效率达到mm3min水平，此项技术可以进一步优化金属材料深雕加工制造工艺。
结论
本文对比了工业用皮秒与飞秒激光器在设计复杂性和使用可靠性上的主要差异，体现出皮秒激光在平衡材料加工领域的加工效果、效率与成本等因素中的独特吸引力。进而，文中详细介绍了一种基于全光纤光学结构的工业皮秒光纤激光技术，峰值功率超过1MW平均功率达到100W，脉冲宽度 15-50ps。最后，利用皮秒激光技术简介其在材料加工领域的若干应用。
