在美國以及世界各地的學術界以及政府和產業(yè)實驗室所從事的基礎研究和應用研究工作表明，超短脈沖激光器(USPLs)的廣泛應用具有重大前途。正如光學工程期刊最近列舉的一個特殊例子，這些應用涵蓋了從基本科學研究探索基本物理和各種化學反應性質、光與物質相互作用、大多數(shù)材料相互作用和先進制造技術。
圖1不同激光脈沖類型下的材料加工對比
圖2USPL組件及性能目標藍圖
正如其他人注意到的，超短脈沖與物質相互作用在時間尺度上會產生非熱效應。對于基礎物理和化學研究，脈沖的性質允許研究人員探測詳細動力學以及光子吸收和化學反應的動力學、并提供一種可以在頻譜和時間領域調整的寬帶源。對于散裝材料的相互作用，已表明超短脈沖可以用于刪除各種材料減少或消除熱影響區(qū)域的問題。反過來，這也幫助激光器制造商開發(fā)先進的制造技術用于工業(yè)生產過程。
使USPL源從實驗室轉化變成制造產品的一個關鍵推動者是USPL技術的商業(yè)化。從2006年開始，美國國防部，特別是美國海軍，發(fā)起了一項超短脈沖激光技術開發(fā)項目將USPL系統(tǒng)分解為可以獨立追蹤和改善的子系統(tǒng)和部件，部件的增量和革命性改進引發(fā)USPL能力的顯著進步以及總體技術成熟度。
該報告總結了項目，包括如下內容：概述推動USPL源的動機，重點強調商業(yè)應用如機械制造的實際意義；簡要概述USPL系統(tǒng)構架和關鍵部件整體性能；概述這些部件的實際科技發(fā)展技術，最后，簡要總結該項目取得的幾個顯著技術成果。
1.動機
為什么是超短脈沖激光器？
超短脈沖激光器是產生飛秒量級(10-15s)光脈沖的的設備。產生這些脈沖的設備通常稱為模式鎖定激光器——激光源所有共同相位的縱向模式振蕩。結果，超短振蕩器產生的這些脈沖的重復頻率與激光腔的往返時間相關(通常為兆赫茲的10’s~100’s)，時域脈沖持續(xù)時間(即脈沖寬度)由激光器的光譜含量的傅里葉變換給出。
USPL系統(tǒng)可以在不產生過大熱影響區(qū)的條件下實施材料加工，圖1給出了區(qū)別。
如圖1所示，對比于連續(xù)波或納秒脈沖源，高精度打孔或切割的應用使用USPL源將大大獲益。隨著加工材料靈敏度的變化，也很有必要使用USPL源。例如許多先進玻璃、聚合物和介電材料對于熱高度敏感，當被加熱時易變脆，甚至在很小程度上。
圖1不同激光脈沖類型下的材料加工對比
目前技術
USPL源的大多數(shù)實驗室都是基于閃光燈泵浦摻鈦藍寶石晶體，實現(xiàn)多級放大，產生的脈沖寬度為10~100fs，脈沖能量為幾微焦。備用波長可由二極管泵浦鉺玻璃或晶體(1.5微米)或者摻雜鐿玻璃或晶體(1微米)。各種非線性轉換過程可以產生更長或更短的波長。傳統(tǒng)上，由于較差的耐用性(所造成的機械振動不穩(wěn)定性)和對環(huán)境的敏感性這些大型固態(tài)系統(tǒng)不適合工業(yè)應用。從系統(tǒng)的角度來看，大多數(shù)的耐用性和環(huán)境敏感性問題都可以追溯到自由空間光學架構上?？煽啃?、可維護性、模塊化——對所有商用激光器系統(tǒng)的高度期望的屬性，常常與給定激光系統(tǒng)內的自由空間光學元件的數(shù)量是負相關的。
2.海軍技術發(fā)展項目
目標
海軍的技術發(fā)展項目的目標是開發(fā)能夠制造高性能、結構緊湊、輕巧的USPL系統(tǒng)的總體架構及其組件，系統(tǒng)工作在數(shù)毫焦脈沖能量、亞皮秒脈沖持續(xù)時間、10~100kHz重復頻率，運行波長為1.5微米，可以通過計算機軟件控制實現(xiàn)遠程遙感操作。由于光纖對環(huán)境條件(包括溫度、濕度和沖擊/振動)的相對不敏感性，首選的技術發(fā)展路線是基于光纖的，盡管大尺寸布拉格光柵展寬和壓縮機技術是興趣點，由于在尺寸和重量節(jié)省方面取得了革命性的進步。
高脈沖能量和亞皮秒脈沖持續(xù)時間的基本原理是顯而易見的，更高的峰值功率可以實現(xiàn)更高效的機械加工。選擇1.5微米波長是因為它代表了中紅外波長并且是“人眼安全”的波長范圍。此外，有人認為摻鉺光纖系統(tǒng)在上世紀取得的進步有利于推動技術的快速發(fā)展。
海軍SBIR項目
美國國防部的一小部分預算是預留給小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃的。一年幾次，每個國防部部門都會公布可獲得資助的研究課題。從2006~2007年開始持續(xù)到2013年，美國海軍發(fā)布了9個不同的研究主題涵蓋整個USPL系統(tǒng)鏈(見下文)。從這些主題簽發(fā)了幾十個合同給小企業(yè)，推動了USPL技術最先進發(fā)展。
正如上面提到的，美國海軍USPL技術發(fā)展規(guī)劃認識到有必要解決USPL產生和放大過程的每一步。計劃遠景為每個元素描繪了一個或多個主題，如圖2所示。
圖2USPL組件及性能目標藍圖
具體來說，研究主題包括光纖放大器技術和材料開發(fā)、緊湊壓縮機技術開發(fā)、光纖傳輸技術開發(fā)、脈沖相位壓縮技術及技術開發(fā)。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
