大能量多波段皮秒激光技術(shù)研究

姜志興，毛小潔，龐慶生，鄒 躍，秘國江，姜東升

(1．華北光電技術(shù)研究所，北京100015;2．固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100015)

1 引言

目前，大能量皮秒激光器己被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)、科研、通訊、醫(yī)療等領(lǐng)域。在諸如材料加工［1－2］、精細(xì)機(jī)械加工［3］、泵浦探針實(shí)驗(yàn)［4］、光電檢測(cè)、生物組織切割［5］等多方面的應(yīng)用中，皮秒激光器都扮演著關(guān)鍵的角色。21世紀(jì)隨著SESAM鎖模、高重頻電光調(diào)制、半導(dǎo)體泵浦等技術(shù)的進(jìn)步和器件的成熟，高重頻全固態(tài)皮秒激光器的應(yīng)用得到了迅速和廣泛的發(fā)展。國內(nèi)工業(yè)精細(xì)加工領(lǐng)域，特別是航空航天、太陽能、微電子等領(lǐng)域，對(duì)高重復(fù)頻率的全固態(tài)皮秒激光器有非常高的需求，其中具有代表性的有激光測(cè)距、光電對(duì)抗和激光加工等［6－8］。

本文就研制的大能量多波段皮秒固體激光器及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和探究。

2 激光器介紹

激光器機(jī)頭照片如圖1所示。

圖1 激光器機(jī)頭照片

激光器的基本原理:在圖1中激光器內(nèi)部采用MOPA方式，皮秒種子源輸出脈沖能量為nJ量級(jí)，再經(jīng)過兩個(gè)放大腔雙程四次放大102倍到200 mJ，總能量放大≥108倍。1．064μm激光器輸出的脈沖功率密度≥40 GW/cm2。再經(jīng)二倍頻、三倍頻、四倍頻諧波轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)1．064 μm、0．532 μm、0．355 μm、0．266μm四個(gè)波長輸出。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3．1 新型無獨(dú)立單選模塊再生技術(shù)

3．1．1 基本原理

在激光器再生放大 振腔設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新性地提出新型無獨(dú)立單選模塊技術(shù)，把脈沖的單選功能集成到再生放大過程中來進(jìn)行的設(shè)計(jì)思路，并將該技術(shù)成功應(yīng)用于該激光器。SESAM鎖模主振蕩器的輸出脈沖能量一般都只有nJ量級(jí)。為獲得皮秒超強(qiáng)激光脈沖，就必須經(jīng)過多級(jí)放大。為了能夠使皮秒脈沖能夠高效地提取激光增益介質(zhì)中的能量，在功率放大器之前通常需要加入一個(gè)前置放大器。再生放大器(Regenerative Amplifier)作為常用的前置激光放大器，可以讓種子脈沖多次(30程左右)通過增益介質(zhì)，充分提取介質(zhì)中的儲(chǔ)能，從而獲得很高的增益(可達(dá)106以上)，可將nJ量級(jí)脈沖放大到mJ量級(jí)。

在皮秒鎖模激光脈沖的放大系統(tǒng)中，再生放大器得到了非常廣泛的應(yīng)用。作為一種高穩(wěn)定度、高峰值功率、皮秒同步激光脈沖的有效手段，即使在較高的重復(fù)頻率下，再生放大器也能夠提供極高的增益，并且引入的時(shí)間波形畸變和附加噪聲都很小。再生放大器主要包括3個(gè)過程:

①種子脈沖注入再生放大腔;

②在特定時(shí)刻給普克爾盒加上λ/4電壓，改變脈沖偏振方向，將光脈沖限制在腔內(nèi)，進(jìn)行多程放大;

③當(dāng)光脈沖能量達(dá)到最大時(shí)，撤銷普克爾盒上的λ/4電壓，光脈沖偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，由偏振片TFP3腔倒空輸出。

近幾年隨著再生放大技術(shù)的發(fā)展，研究人員根據(jù)各自具體需要發(fā)展了多種多樣的再生放大器光路，但各種光路都包括:種子脈沖注入諧振腔、多程放大和腔倒空這三個(gè)基本過程［9－10］。

3．1．2 光路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的再生放大器除了再生放大腔之外，在腔的前端都有一個(gè)脈沖單選器，其功能主要是將鎖模激光器輸出的MHz左右的鎖模脈沖序列單選之后再送入到再生放大腔內(nèi)進(jìn)行放大，其工作流程如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)的再生放大器技術(shù)流程

精確的理論計(jì)算可以證明，獨(dú)立的脈沖單選模塊的確是可以去掉的。通過設(shè)計(jì)合適的再生放大腔長和縮短高重頻電光Q開關(guān)的上升沿與下降沿時(shí)間，脈沖單選功能可以集成到再生放大過程中來進(jìn)行，這樣減小了光路的復(fù)雜程度，降低了硬件成本。其技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 無脈沖單選器的再生放大技術(shù)流程

本文采用的是無獨(dú)立單選模塊的再生放大器，光路示意圖如圖4所示。

圖4 再生放大器光路示意圖

3．1．3 再生放大器輸出結(jié)果

該再生放大器輸出脈沖有很高的對(duì)比度，脈沖－脈沖穩(wěn)定性和指向穩(wěn)定性，其輸出光脈沖的波形如圖5所示(ch3所示波形)。

圖5 輸出光脈沖波形

輸出再生光斑光束直徑為1．2 mm，其遠(yuǎn)場(chǎng)光斑及M2測(cè)試曲線，如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖及M2測(cè)試曲線

從圖中可以看出，光斑為TEM00模式，光束質(zhì)量M2為1．69。為后續(xù)的功率放大提供了高光束質(zhì)量種子。將該技術(shù)應(yīng)用于本激光器，成功實(shí)現(xiàn)了10 Hz下激光輸出單脈沖能量大于200 m J、光束發(fā)散角＜0．8mrad的大能量、高光束質(zhì)量的多波段激光輸出，順利完成了本激光器要求的技術(shù)指標(biāo)。

3．2 高功率密度下大能量激光放大系統(tǒng)的抗激光損傷技術(shù)

為了解決這一關(guān)鍵技術(shù)對(duì)光束的空間分布采取“平滑”措施，獲得近似平頂?shù)目臻g分布。由于輸出的激光脈沖峰值功率高(達(dá)40 GW/cm2以上)，相應(yīng)的光學(xué)元件易損傷，抗光損傷設(shè)計(jì)非常重要，在大能量注入條件下，激光工作物質(zhì)通常存在非常嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)以及熱致雙折射，熱透鏡效應(yīng)將會(huì)使得可以利用的激光工作物質(zhì)模體積急劇減少，不止影響激光輸出能量，而且影響激光光束質(zhì)量［11］。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)放大級(jí)，可以補(bǔ)償工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，獲得了較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

高功率激光系統(tǒng)中，熱吸收或光致產(chǎn)生的應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致激光介質(zhì)產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，熱致雙折射使得激光束的偏振狀態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)另一個(gè)偏振分量，產(chǎn)生退偏。采用雙級(jí)雙程功率放大技術(shù)，有效地解決了退偏的問題。在此光學(xué)系統(tǒng)中，由于放大棒、透鏡等光學(xué)器件較多，由于剩余反射率的存在，易產(chǎn)生自激，造成光學(xué)破壞。為了克服自激，一種辦法就是把放大棒調(diào)斜，另一種方法是把放大棒端面磨斜［11］。在一定程度上，前者只能克服放大棒之間的自激，而第二種方法還能克服棒內(nèi)的自激。考慮到實(shí)際情況，把兩個(gè)端面磨成平行四邊形。通過長期試驗(yàn)驗(yàn)證，也充分證明了這種設(shè)計(jì)結(jié)果是非常有效和必要的。

3．2．1 光斑“平滑設(shè)計(jì)”

由于輸出的激光脈沖峰值功率高相應(yīng)的光學(xué)元件易損傷，抗光損傷設(shè)計(jì)非常重要。采用平滑技術(shù)，改善了光斑的均勻性，獲得近似平頂?shù)目臻g分布，將光學(xué)器件的抗激光損傷閾值提高到≥40 GW/cm2以上。

光學(xué)系統(tǒng)中，放大棒、透鏡等光學(xué)器件較多，由于剩余反射率的存在，易產(chǎn)生自激，造成光學(xué)破壞。為了克服自激，把放大棒端面磨成平行四邊形，在一定程度上，克服了棒內(nèi)和放大棒之間的自激。由于15 mJ的退偏光就可能把種子源打壞，因此在兩極放大之間也增加了法拉第隔離系統(tǒng)，確保光路中光學(xué)器件的安全，如圖7所示。

圖7 雙棒串接雙程功率放大系統(tǒng)

3．2．2 四級(jí)放大和偏振旋光設(shè)計(jì)

在高重頻、大能量注入條件下，激光工作物質(zhì)會(huì)存在嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)以及熱致雙折射。熱致雙折射使得激光束的偏振狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生退偏，不僅影響輸出能量，而且影響激光光束質(zhì)量。因?yàn)闊嵛栈蛘吖庵庐a(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致了激光介質(zhì)產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，通常在不采取消退偏措施情況下，對(duì)于重頻10 Hz、輸出能量大于500 mJ時(shí)，退偏已大于17%，這對(duì)光路中的光隔離和倍頻極為不利。本系統(tǒng)放大級(jí)雙通的熱退偏是光束兩次通過Φ10放大級(jí)與全反鏡之間的45°法拉第隔離器，偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，將其徑向和切向偏振分量進(jìn)行交換，熱退偏相互抵消。Φ10兩放大級(jí)之間的90°旋光器消除熱退偏，并且走雙程。這樣激光器工作在高功率注入下，通過優(yōu)化整個(gè)光路中的熱透鏡和熱退偏基本上均可消除，輸出光斑如圖8所示。

圖8 放大級(jí)近場(chǎng)光斑

3．3 高效倍頻、和頻及四倍頻技術(shù)

在保證高效激光倍頻效率、和頻效率、四倍頻效率的同時(shí)充分考慮裝備使用要求，以最合理的倍頻、和頻及四倍頻匹配方式和匹配參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，使該激光器的倍頻效率高達(dá)50%以上。

在倍頻激光器中，倍頻效率是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。本項(xiàng)目中使用的倍頻器可以設(shè)計(jì)為非臨界相位匹配方式，也可以設(shè)計(jì)為Ⅱ類匹配方式，采用非臨界相位匹配方式，倍頻效率容易實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化，但晶體必須工作在148℃，而且對(duì)于溫度較敏感，要求溫度控制精度在±0．2℃之內(nèi)，而且整個(gè)升溫過程較長，預(yù)熱時(shí)間最少需要半小時(shí)，不利于工程應(yīng)用;采用Ⅱ類匹配方式，倍頻器的工作溫度在常溫范圍內(nèi)，可以和激光器內(nèi)的其他光學(xué)元件一起采用水冷溫控的方式，非常適宜于工程使用，而且穩(wěn)定時(shí)間短，長期穩(wěn)定性也較好，但相比之下，倍頻效率要低一些。在本項(xiàng)目研制過程中，我們通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在Ⅱ類匹配方式下，設(shè)計(jì)了最佳的晶體切割角度、晶體長度等參數(shù)，最終在設(shè)備上達(dá)到了非臨界相位匹配所能達(dá)到的倍頻轉(zhuǎn)化效率，使該激光器倍頻效率高達(dá)50%以上。充分考慮到四倍頻的效率問題，我們讓倍頻晶體和四倍頻晶體在主光路上，而讓和頻晶體在和光軸垂直的光路上，兼顧了四倍頻的高效率以及和頻的大能量輸出。倍頻、和頻及四倍頻光路如圖9所示。最終實(shí)現(xiàn)532 nm輸出111．1 mJ，355 nm 輸出 35 m J，266 nm 輸出 25 m J。

圖9 倍頻、和頻及四倍頻光路

4 結(jié)束語

通過采用本文所分析研究的關(guān)鍵技術(shù)，我們成功研制出高重頻、高功率、多波段輸出的皮秒固體激光器，實(shí)現(xiàn) 1．064 μm、0．532 μm、0．355 μm、0．266 μm四個(gè)波長輸出。該激光器光路、電路均非常復(fù)雜，其中光學(xué)元器件達(dá)20余種，數(shù)量58個(gè)以上，難度很大。該激光器可以應(yīng)用在光電對(duì)抗、機(jī)械加工等多個(gè)領(lǐng)域。

［1］ Baird BW．Picosecond 1aser processing of semiconductor

and thin film devices［J］．SPIE，2010，7580:75800Q －1 －9．

［2］ Jiang T，Koch J，Unger C，et al．Ultrashort picosecond laser processing of micro－molds for fabricating plastic partswith super hydrophobic surfaces［J］．Appl．phys．A，2012，108(4):863 －869．

［3］ Muhammad N，Whitehead D，Boor A，et al．Picosecond lasermicro－machining of nitinol and platinum－iridium alloy for coronary stent applications［J］．Appl．Phys．A，2012，106(3):607 －617．

［4］ Ejdrup T，Lemke H T，Haldrup K，et al．Picosecond time－resolved laser pump/X－ray probe experiments using a gated single － photon － counting area detector［J］．J．Synchrotron．Rad，2009，16(3):387 －390．

［5］ Franjic K，Cowan M L，Kraemer D，et al．Laser selective cutting of biological tissues by impulsive heat deposition through uhrafast vibrational excitations［J］．Opt．Exp，2009，17(25):22937 －22959．

［6］ HUANG Feng，WANG Yuefeng，WANG Jinyu，etal．Study on application of high－repetition rate solid state lasers in photoelectric countermeasure［J］．Infrared and Laser Engineering，2003，32(5):465 －467．(in Chinese)黃峰，王岳峰，王金玉，等．高重頻固體激光器在光電對(duì)抗中的應(yīng)用研究［J］．紅外與激光工程，2003，32(5):465－467．

［7］ XUE Jianguo，CHEN Yong．Research on the jamming effect of the high repetition laser to the laser guidance［J］．AeroWeapon，2006，3:30 －32．(in Chinese)薛建國，陳勇．高重頻激光對(duì)激光導(dǎo)引頭的干擾研究［J］．航空兵器，2006，3:30 －32．

［8］ YE Jiesong，ZHU Yuechao，CHEN Zhiping，et al．Research on against high repeated frequency laser jamming［J］．Modern Defence Technology，2008，36(2):119 －123．(in Chinese)葉結(jié)松，朱岳超，陳治平，等．抗高重頻激光干擾技術(shù)研究［J］．現(xiàn)代防御技術(shù)，2008，36(2):119 －123．

［9］ CHEN Changshui，WANG Jiasheng．Cr:LiSAF regenerative amplifier［J］．Chinese Journal of Lasers，2003，(10):890 －892．(in Chinese)陳長水，汪家升．Cr:LiSAF再生放大系統(tǒng)［J］．中國激光，2003，(10):890 －892．

［10］ LIMingzhong，YANG Jingguo，et al．The technology study on laser diode － pumped regenerative amplifier［J］．High Power Laser＆ Particle Beams，1999，11(5):543 －546．(in Chinese)李明中，楊經(jīng)國，等．激光二極管泵浦的再生放大器技術(shù)研究［J］．強(qiáng)激光與粒子束，1999，11(5):543 －546．

［11］Koechner W．Solid－state Laser engineering［M］．Beijing:Science Press，2002．(in Chinese)W克希耐爾．固體激光工程［M］．北京:科學(xué)出版社，2002．