現(xiàn)在，各種激光器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工和醫(yī)療領(lǐng)域，而超快光纖激光器作為高端微納加工和生命科學(xué)領(lǐng)域的理想光源，正逐漸引發(fā)市場的高度關(guān)注。
飛秒激光脈沖在微加工中具有許多獨特的加工優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：
▲飛秒激光加工的組織中沒有熔融區(qū)，沒有重鑄層，不產(chǎn)生微裂紋。這是飛秒加工的最重要特征。它避免了熱熔化的存在，實現(xiàn)了相對意義上的“冷”加工，大大減弱和消除了傳統(tǒng)加工中熱效應(yīng)帶來的諸多負面影響。
▲飛秒激光加工精度高，不受光的衍射極限的限制，具有很高的空間分辨性。
▲飛秒激光加工對材料沒有選擇和限制性，可以對任何材料進行精細加工、修復(fù)和處理。
▲飛秒激光加工需要的脈沖能量閥值極低，一般只有毫焦耳量級，這決定了加工的能量低耗性。
▲加工過程不產(chǎn)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞的沖擊波，不損壞臨界的結(jié)構(gòu)組織。
與固體飛秒激光器相比，光纖飛秒激光器有諸多優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、高集成、高穩(wěn)定、免維護、免調(diào)試；高增益、低閾值、高轉(zhuǎn)換效率；散熱性能良好；高光束質(zhì)量。光纖激光器是實用化激光光源的重要方向。
摻鐿(Yb)增益光纖非常適合于中心波長在1微米的光纖激光器（圖1）。其主要優(yōu)點包括：能用半導(dǎo)體激光泵浦（860-1,050nm）；寬增益帶（970-1,200nm）；高飽和能量（35 J/cm2）；高泵浦效率；無激發(fā)態(tài)吸收等。
傳統(tǒng)的激光放大采用直接的行波放大，而對超短激光脈沖來說，隨著能量的提高，其峰值功率將很快增加，并出現(xiàn)各種非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng)，從而限制了能量的進一步放大。
啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）是飛秒激光脈沖放大的必要手段。CPA技術(shù)的原理是，在維持光譜寬度不變的情況下通過色散元件將脈沖展寬好幾個數(shù)量級，形成所謂的啁啾脈沖。這樣，在放大過程中，即使激光脈沖的能量增加很快，其峰值功率也可以維持在較低水平，從而避免出現(xiàn)非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng)，保證激光脈沖能量的穩(wěn)定增長。當(dāng)能量達到飽和放大可獲得的能量之后，借助與脈沖展寬時色散相反的元件將脈沖壓縮到接近原來的寬度，即可使峰值功率大大提高（圖2）。
實用化的光纖飛秒激光器如圖3所示。它由光纖鎖模振蕩器、光纖脈沖展寬器、光纖功率放大器及光柵脈沖壓縮器構(gòu)成。在固體飛秒激光器中常用的體光柵脈沖展寬器，由于體積大、穩(wěn)定性差、難耦合進單模光纖，并不適合用于光纖飛秒激光器。如果單模保偏光纖能夠用作脈沖展寬器，這些問題就會得到解決。但是通常情況下，單模保偏光纖和體光柵脈沖壓縮器都有正的三階色散，不能相互補償，因此脈沖壓縮效果很差。直到利用由功率放大器產(chǎn)生的非線性相位移動來補償光纖脈沖展寬器和光柵壓縮器的3階色散，適合于工業(yè)/醫(yī)療應(yīng)用的穩(wěn)定可靠的光纖飛秒激光器才得以實現(xiàn)[1]。
鎖模是激光器產(chǎn)生超短脈沖的重要技術(shù)。激光器光腔內(nèi)存在多種模式的激光脈沖，當(dāng)這些模式相互間的相位實現(xiàn)相長干涉時才產(chǎn)生激光超短脈沖或稱鎖模脈沖輸出。鎖模一般分為兩類：一類是主動鎖模，另一類是被動鎖模。前者是從外部向激光器輸入信號周期性地調(diào)制激光器的增益或損耗，達到鎖模；后者則采用飽和吸收器(例如一片薄的半導(dǎo)體膜)，利用其非線性吸收達到鎖定相對相位，產(chǎn)生超短脈沖輸出。
激光器鎖模的基本原理是將滿足起振條件的各個縱模的相對相位以某種形式進行鎖定，在時間坐標(biāo)軸上來看，在某些時刻上，所有的振蕩模式都同時到達振幅最大的位置，相干疊加形成周期性的、強度極大提高的超短脈沖序列（圖4）。這種鎖模脈沖序列也可以理解為時間域上的相干亮條紋。
光纖脈沖展寬器（圖5）將脈沖寬度展寬到>500ps。這里是用了啁啾光纖光柵的色散來展寬飛秒鎖模光纖振蕩器的輸出脈沖，飛秒鎖模光纖振蕩器的輸出光譜寬度在15nm左右。
在功率放大器中，丹麥NKT Photonics公司的光子晶體光纖DC-200/40-PZ-Yb可用于數(shù)十微焦耳的飛秒光纖激光器（圖6）。這個光子晶體光纖的模場直徑達到31μm，雖然比普通單模光纖的芯徑大很多，但得益于其特有的光纖結(jié)構(gòu)，仍然可以保證基模輸出。
脈沖壓縮技術(shù)中常用的是平行光柵對壓縮器。它讓光束的長波長部分比短波長部分通過更長的光程。這種壓縮器在適當(dāng)?shù)拈g隔引入了負色散，其結(jié)構(gòu)緊湊。脈沖壓縮器采用雙光程結(jié)構(gòu)以消除空間啁啾對光束質(zhì)量的影響。光平均功率的損耗在50%以下。
為了獲得脈沖能量和平均功率更高的光纖飛秒激光器，我們需要：
? 更長的被展寬脈沖；
? 更大孔徑的增益光纖；
? 盡可能短的增益光纖；
? 高階模損耗大的增益光纖；
? 更高衍射效率和損傷閾值的光柵。
丹麥NKT Photonics公司的光子晶體光纖aeroGAIN-ROD-PM85具有更大的模場直徑，達到65μm，長度為80cm。它完全滿足更大孔徑的增益光纖、盡可能短的增益光纖、和高階模損耗大的增益光纖的技術(shù)要求。
光子晶體光纖aeroGAIN-ROD-PM85是一個棒狀光纖（圖8），它不能彎曲。所以這個放大器的制作工藝顯得尤為重要。需要考慮機械穩(wěn)定性，散熱的有效性，以及制作的相對容易程度。
同時也需要衍射效率和損傷閾值更高的光柵。可以選擇表面鍍高反介質(zhì)膜的光柵（圖9）。
通過制作工藝的積累，關(guān)鍵器件的設(shè)計和選擇，就可以制造出工業(yè)級的高功率飛秒光纖激光器。通過實現(xiàn)核心器件的國產(chǎn)自主研發(fā)和批量供應(yīng)，飛秒光纖激光器必將達到世界先進水平，并打破國外壟斷，滿足工業(yè)高產(chǎn)出率和高質(zhì)量的要求，帶動超快激光微加工上下游技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，服務(wù)中國制造2025。
參考文獻：
[1] “High energy fiber chirped pulse amplification system based on cubicons,” CLEO 2005, paper CThG4; Optics Express 13, 4717 (2005).
作者：劉振林，武漢華銳超快光纖激光有限公司
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