過去幾年，高功率超快激光器在材料加工中受到了廣泛關(guān)注，市場也隨之出現(xiàn)了對(duì)兆瓦、太瓦級(jí)超快激光器的需求增長。實(shí)踐證明，這種超快激光加工系統(tǒng)因其獨(dú)特性非常適合于微加工。
在微加工過程中，高功率超快激光器可以應(yīng)對(duì)更大范圍的材料加工，并能實(shí)現(xiàn)更高精度加工的能力。但就目前來看，一味追求超快激光器的峰值功率未必就能達(dá)到理想的加工效果。其中，主要限制是熱透鏡效應(yīng)。
熱透鏡效應(yīng)是指，由于光學(xué)元件質(zhì)量差、臟污、損壞等原因造成對(duì)激光吸收率增大，光學(xué)元件受激光束連續(xù)較長時(shí)間照射后，溫度升高產(chǎn)生熱變形，進(jìn)而引起透過型光學(xué)元件的折射率和反射型光學(xué)元件的反射方向發(fā)生變化。熱透鏡效應(yīng)會(huì)改變激光焦點(diǎn)的位置，進(jìn)而影響最終加工效果。
高功率超快激光器可能會(huì)在腔光學(xué)系統(tǒng)中引起強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)，從而導(dǎo)致熱量積聚。這種不均勻的熱量分布將導(dǎo)致光學(xué)器件發(fā)生折射率梯度，從而改變焦距。其中的一些影響可以通過諧振器再設(shè)計(jì)得到緩解。但另一方面，高階像差很難補(bǔ)償并可能導(dǎo)致低質(zhì)量的激光束。
在某些情況下，當(dāng)激光腔完全失準(zhǔn)且沒有被觀察到共振時(shí)，熱透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的危害可能會(huì)更大。而鎖模激光器的衍射極限性能，只能通過最大限度減少熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。
色散鏡成解決之道
多層介電涂層技術(shù)的進(jìn)步，則通過補(bǔ)償大多數(shù)光學(xué)介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的正群延遲色散（GDD），使色散鏡成為超快激光器的重要組成部分，延長了脈沖持續(xù)時(shí)間，降低了峰值功率。這種脈沖壓縮鏡在很寬的波長范圍內(nèi)能提供負(fù)群延遲色散，并能支持非常短的激光脈沖，同時(shí)既能限制損耗又能提供對(duì)激光對(duì)準(zhǔn)的持續(xù)需求。
但是，高色散反射鏡也可能會(huì)出現(xiàn)熱透鏡效應(yīng)，從而影響加工系統(tǒng)的性能。好消息是涂層技術(shù)的新發(fā)展，允許工程師創(chuàng)建具有可忽略不計(jì)熱透鏡效應(yīng)的新型色散鏡。通過減少腔鏡產(chǎn)生的熱效應(yīng)，這些反射鏡是開發(fā)高功率超快材料加工系統(tǒng)的理想選擇。
■具有低熱透鏡效應(yīng)的色散鏡仍然保持高反射率和高幅度負(fù)群延遲色散，這在高精度材料加工系統(tǒng)中至關(guān)重要
這些反射鏡結(jié)合了色散反射鏡在寬波長范圍內(nèi)提供的高負(fù)寬帶群延遲色散和低損耗，同時(shí)減少了熱透鏡效應(yīng)。通過仔細(xì)操縱光學(xué)設(shè)計(jì)和沉積過程的各種參數(shù)實(shí)現(xiàn)，從而在Yb:YAG、Er:YAG、銩和鈥激光系統(tǒng)等高功率超快激光系統(tǒng)中，獲得無與倫比的性能。
測(cè)試熱性能
通過使用紅外相機(jī)測(cè)量反射鏡表面溫度的升高，在連續(xù)波（CW）模式下運(yùn)行的Yb:YAG薄盤激光器中測(cè)試了反射鏡的熱透鏡效應(yīng)。下圖顯示了沒有新的低熱透鏡涂層的色散鏡的光譜性能，在1010nm和1050nm之間具有-3000fs2的群延遲色散和高反射率。這面鏡子經(jīng)歷了57K 的溫度變化，導(dǎo)致激光器和振蕩器穩(wěn)定性發(fā)生惡化。
■沒有新的低熱透鏡鍍膜的色散鏡在測(cè)試過程中經(jīng)歷了57K的溫度變化，這會(huì)使激光器不穩(wěn)定并導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降
下面兩張圖顯示了測(cè)量到的兩個(gè)色散鏡的溫度升高，熱透鏡效應(yīng)降低，群延遲色散值為 -1000fs2和-3000fs2。與傳統(tǒng)反射鏡相比，具有減少熱透鏡效應(yīng)的色散反射鏡，其溫度升高的幅度要小得多。在群延遲色散分別為-1000fs2和-3000fs2的反射鏡中觀察到10K和20K的溫度升高，顯著低于傳統(tǒng)色散鏡的溫度升高。保持了激光器和振蕩器的穩(wěn)定性，使整個(gè)激光系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鎖模并正常運(yùn)行。
■群延遲色散為-1000fs2的低熱透鏡色散鏡在測(cè)試期間經(jīng)歷了10K的溫度變化，避免了任何可檢測(cè)的熱引起的性能下降
■群延遲色散為-3000fs2的低熱透鏡色散鏡在測(cè)試期間經(jīng)歷了20K的溫度變化，但仍避免了任何熱效應(yīng)引起的性能下降
什么時(shí)候需要低熱透鏡鍍膜？
減少反射鏡中的熱量積聚，對(duì)于減少高功率超快鎖模激光器的熱透鏡效應(yīng)十分有幫助。然而，并非所有超快激光器都需要用到這項(xiàng)技術(shù)。摻鈦藍(lán)寶石激光器通常不會(huì)達(dá)到足夠高的平均功率，使熱量積聚和熱透鏡效應(yīng)成為問題。光纖激光器也無需低熱透鏡涂層，因?yàn)樗鼈儧]有可能發(fā)生熱效應(yīng)的固態(tài)激光腔。
在上述兩種情況下，即使沒有新型熱穩(wěn)定涂層的脈沖壓縮光學(xué)器件也完全足夠了。然而，對(duì)于Er:YAG、鈥和銩之類的高功率固態(tài)超快激光材料加工系統(tǒng)來說，減少熱透鏡效應(yīng)卻顯得尤為重要。
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