在激光微加工應用中，短脈沖提供精確的高平均功率，能夠實現更高的處理速度，而高能量則提高了加工吞吐量。短脈沖可以容易地實現，但是在能量或平均功率方面的提升更具挑戰性。例如，光纖內的非線性效應限制了放大期間的峰值功率。
在短脈沖或超短脈沖（USP）激光器中實現更高功率的公認解決方案，是通過主振蕩器功率放大器（MOPA）架構，使用各種技術和材料來影響放大。下一代 USP 激光器依賴于新穎的基于光纖的架構，以克服傳統塊體和光纖放大器的不足。
放大比較
由于在增益介質內部產生強烈畸變的熱透鏡效應，塊體晶體放大器受到光束退化的影響。由于這個基本限制，高功率放大器的幾何形狀已經發展演進，以改善這些材料內部的熱管理。
由于增益介質的厚度較薄（約 100μm），薄碟片單程的增益有限。因此，只能通過多程或再生技術實現有效放大。
多程放大器使用精細的光路使光多次穿過激光晶體，而再生放大器則使用昂貴的電光調制器作為復雜光束切換過程的一部分。盡管存在缺點，但是薄片放大器可以產生非常高的千瓦級輸出功率，并且是最終放大級的理想選擇。
雖然由于其高增益，可以在板條放大器中實現高達千瓦級的極高平均功率，但所使用的之字形光路會引入橢圓度并降低光束質量。
除了用于產生短脈沖的塊體替代方案之外，基于光纖的放大器通常使用大模場面積光纖（LMA）或大模場面積光子晶體光纖（PCF LMA），而棒狀 PCF 可實現更高的峰值功率。
市售光纖的最大芯徑為 85μm，傳播模式為 650μm，即使摻雜水平較高，長度也約為 1m。超大纖芯和極低數值孔徑的光纖設計，輸出衍射極限光束，但會導致系統體積較大，靈活性降低。
引導泵浦和引導激光模式之間的重疊，產生良好的光學效率。可以實現平均功率高達 200W、光束質量良好的輸出 ；盡管在更高功率下，熱光效應可以顯著影響波導機制。這些擾動導致 LMA 光纖在高功率下還支持高階模式，這使得光束質量劣化，并最終使輸出光束在毫秒級上波動（橫模不穩定性）。在工業激光系統中，棒狀光纖的峰值功率通常限制在 1MW 左右，以避免非線性效應。
在飛秒光纖激光器中，啁啾脈沖放大（CPA）減緩了這一局限性，并能實現基于 400μm 纖芯柔性 PCF 光纖的高功率系統。然而，峰值功率限制迫使采用相應的壓縮器實現大的展寬比，這又增加了成本和系統尺寸。
單晶光纖
單晶光纖（SCF）通常為單晶釔鋁石榴石（YAG），長度大，直徑小，導光性能好。
激光加熱基座生長（LHPG）技術可以生產小直徑光纖（ 約1000μm），并且通過不斷改進，目標是實現與用于高平均功率激光系統的經典光纖類似的纖芯 / 包層結構。然而，這種結構的制造是尚未實現的艱難挑戰，特別是在需要維持線偏振的情況下。盡管與傳統光纖相比，相互作用長度減小，但是在任何情況下，所得到的結構在高峰值功率脈沖方面仍然受到與石英光纖相同的限制，并且由于 YAG 材料更高的非線性性質，這些問題將進一步惡化。顯然，這并不是超快高功率放大器的解決方案。
采用微下拉技術，已經生產了直徑為 1~2mm 的較大 SCF，能夠維持兆瓦峰值功率，使其成為高能量短脈沖放大的理想選擇。
SCF放大器
用于放大的優選配置使用直徑1mm、長度約 30~50mm 的摻釹或摻鐿的 YAG SCF。Yb ：YAG 介質是 USP激光系統的首選，因為它具有更大的吸收和發射帶寬、更高的上激光能級壽命和每單位泵浦功率較低的熱負荷。
商業 SCF 放大器，如 Taranis 激光增益模塊，使用一種特定的泵浦方案：泵浦光束聚焦在晶體內部（而不是其表面上）直徑為 400μm 的點處，并且深度足以使放大器輸出最大化。然后通過全內反射引導高度發散的光束，并在增益介質中重新聚焦（見圖 1）。
根據泵浦的亮度，泵浦的初始聚焦點沿光纖長度成像數次。為了獲得優異的光束質量，泵浦光束在增益介質中傳播時與激光束保持共線，從而避免了出現在板條或薄碟片中的離軸像差，如像散。
與塊體晶體相比，摻雜水平通常低一個數量級，而長度通常大一個數量級。沒有泵浦導，由于泵浦的高度發散，這些差異是無效的。然而，通過泵浦導引，這種大長度 / 低摻雜程度比，使得沿著晶體光纖整個長度的泵浦吸收增加，從而降低了增益介質中的熱應力。
MOPA 配置中的單晶光纖，已經在現場證明了它們的效率和靈活性。實際上，Fibercryst 公司生產的Yb ：YAG SCF 增益模塊在 940nm下被泵浦到 600W，沒有損壞，遠遠高于通常塊體晶體的典型泵浦水平。
冷卻在數百瓦的泵浦功率下的 1mm 直徑 YAG 棒并不容易，但Tarranis 模塊完成了這一壯舉，該技術專利是由 Fibercryst 公司和 CNRS Laboratoire Charles Fabry（LCF） 公司的專利實現的，將晶體光纖直接集成入金屬底座。冷卻效率非常高，熱交換系數為 5W/cm2/K，比典型的銦壓方案高 5 倍（見圖 2）。
泵浦晶體光纖中的熱梯度是徑向對稱的，即使在高功率下也能保證優異的光束質量。已經展示了 140W 的高平均功率，這還沒有達到 SCF 技術的極限。
高平均功率和高能量
在棒狀放大器中，激光模式的典型表面為 3000μm2。包括自相位調制（SPM）或拉曼干涉在內的非線性效應，會在高峰值強度在長相互作用長度下的如此小的表面傳播時，迅速出現。
然而，在典型的 SCF 放大器中，由激光模式覆蓋的表面大 50 倍，因此可實現高得多的峰值功率。高增益、小長度和大光束直徑的組合已經展示了大約 30dB 的小信號增益，以及高達 50MW 的峰值功率。
作為改進的“塊體晶體”放大器，SCF 技術保持了通常塊體放大器的所有優點，特別是它們在許多不同的重復頻率、脈沖持續時間和種子功率下獨立運行的能力。可以使用相同的 SCF 放大器，無需調整，放大從幾千赫茲至≥ 20MHz 的脈沖種子激光，或從幾十納秒到幾百飛秒的種子激光。已經成功地展示了從幾百毫瓦的種子功率放大到幾十瓦（見圖 3）。
典型的工業單程 Yb ：YAG SCF放大級，只有六個光學元件組。這與碟片或板條技術相比是有利的。SCF 放大器已經與各種種子激光器一起使用，以顯示設置的靈活性和簡單性。例如，我們報告一種基于 SCF 和分離脈沖放大（DPA）設置聯用的架構，專用于高能量，能以 12.5kHz 的重復頻率提供能量為 2mJ 的 6ps 脈沖。
對于高平均功率應用，已經獲得了具有 20MHz 重復頻率和 750fs 脈沖寬度的無 CPA 的 100W 系統。在兩種配置中，輸出光束質量優異，M2值小于 1.2。（文/Daniel Guillot，Julien Didierjean，Patrick Beaure D'augeres; Fibercryst公司）
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
