飞秒光纤激光器的应用

飞秒光纤激光器的应用

飞秒光纤激光器是一种主要由光纤激光器构成，具有飞秒（10负15次秒）区持续时间的脉冲激光器。

飞秒激光器的脉宽极窄，瞬问功率极高，既使平均输出功率为lW，峰值功率也能达到千瓦级至兆瓦级以上。飞秒激光器现已应用于以往纳秒脉冲激光器或连续波激光器无法应用的各种领域。

1990年，日本爱信精机公司以IMRA AmericaInc.的名字在美国成立了一家子公司，门从事飞秒光纤激光器的研发、生产、销售与应用开发工作。因此“IMRA”既是美国研究法人的名字，又是爱信精机公司生产的激光器的商标名称，这是在美国研究开发、日本制造的激光器。

1、飞秒光纤激光器的优点

1.1、小型轻便

光纤激光器在确保必要光学长度的同时，可将光纤卷成半径约3cm的环形。与固体激光器相比，光纤激光器的体积大幅缩小。光纤形态每单位体积的表面积大于棒状或片状晶体激光器，散热效果好，不需要冷却器等外围装置，因此在这方面又大幅缩小了激光器的体积。

1．2、高可靠性高稳定性

光纤激光器是由光纤部件组装而成。这些光纤部件采用电弧熔接的方法，因此光学轴长期无偏移，这种连接方法确保了光纤激光器的稳定性和可靠性。另外，IMRA激光器系统外部采购的元器件都严格选用高可靠性的光通信部件，这也对激光器系统的高可靠性提供了保障。

1．3、高光束质量

单模光纤输出的光是近乎理想的点光源，输出光束的圆度和强度分布较容易获得接近理想的高质量输出光束。飞秒光纤激光器在用于微细加工时，聚焦光束很容易达到透镜的聚焦极限，因此适于微细加工。

1．4、低功耗

现已广泛使用的钛宝石飞秒激光振荡器的晶体吸收波长在530nm附近，将大功率Nd：YAG激光器的波长转换成530nm来泵浦激光器，既需要大型Nd：Y AG激光器，又需要冷却器，其电能消耗很大。而光纤激光器则不需要冷却器，可以用二极管激光器直接泵浦。结果表明，飞秒光纤激光器的电光转换效率优于钛宝石飞秒激光器1个数量级。

2、飞秒光纤激光振荡器

虽然20世纪90年代初问世的飞秒光纤激光器的光学轴具有长期无偏移的特点，但因温度的变化等会使偏振面光纤旋转，从而导致输出功率的改变，因此需要偏振面的调整机构，并需要维护。

1994年，Fermann等人利用新结构的被动锁模飞秒脉冲激光振荡器实现了无调整运转。科研人员在谐振腔的两端对置法拉第转子，以往返运转来补偿因环境变化所引起的偏振旋

转。振荡器的波长为1560nm，重复频率为50MHz、脉宽为400fs，平均输出功率为5mW。此外，还附加了光放大器和波长转换器。该振荡器于1998年开始以“飞秒光R”为品牌投放市场，无须维修，可稳定工作30000h以上，现仍在继续工作

这种被动锁模飞秒脉冲激光振荡器可用于最先进的光通信用光计量系统中，作为免维修光源，现已被多家公司的飞秒激光应用仪器所利用。

3、飞秒光纤放大器

当飞秒脉冲激光器用于工业加工时，需要兆瓦级的脉冲峰值功率。因此，为将“飞秒光R”的千瓦级峰值功率放大3个数量级以上，爱信精机公司开发了如下2种放大方式。

3．1、光纤啁瞅脉冲放大

为了获得高脉冲能量．采用了在钛宝石等固体激光放大器中广泛应用的啁啾脉冲放大方式。这种方式是在光放大器之前，利用波长引起的折射率差延长脉宽使峰值功率降低并实现光放大，然后在最终端进行脉冲压缩。

与固体激光放大器的区别是：光纤啁啾放大无需用空间光学部件，而是用光纤的色散来实现放大，因此人们将其称为光纤啁啾脉冲放大（FCPA）。

3.2、用大口径光纤进行光放大

当单模光纤内的飞秒脉冲进行光放大时，若脉冲能量为nJ／p以上，非线性效应则变得明显，增益下降。为了控制这种非线性光学效应，增大光纤内的有效面积，并降低每单位面积的峰值功率，能够有助于实现大功率。

然而，扩大有效面积和单模变成多模会降低光束质量。为解决这个问题，可通过选择性地提高光纤高阶模的损耗达到理想要求。实验结果证明，即使将多模光纤用于放大也可以保持高光束质量。

3．3、工业加工用飞秒光纤激光器——FCPA μ Jewel

以上述技术为基础，爱信精机公司推出了FCPA μ Jewel脉冲激光器。该激光器具有小型、轻便、高稳定性和高可靠性的优点。在以重复频率工作时，具有级的脉冲能量。因这种激光器的振荡介质不同，所以该公司开发了2种类型。无论哪种类型，均不需要冷却器，仅使用100V交流电源就可运转。

4、利用FCPA μ Jewel激光器进行飞秒微细加工

从原理上讲，飞秒激光加工与以往用较长脉宽的纳秒激光加工有所不同。

用纳秒激光加工时，当激光照射物质时，首先电子振动，然后因其声耦合而变为晶格振动，并对周围传热，使周围物质加热、熔化、蒸发。采用纳秒激光器可进行钻孔和切割加工。

飞秒激光器因光脉冲的持续时间为飞秒级，因此在声振动转换为晶格振动之前便结束能量供给。当脉冲能量低于加工阈值时，电子振动停止。若高于某阈值以上，其强大的振动引起电离，剥离耦合电子，引起物质的烧蚀。也就是说，飞秒激光器可实现不经过热过程的加工．只用透镜聚焦光束进行控制深度方向的三维加工，这就是飞秒激光加工的特点。

飞秒加工具有下列优点：

①对加工区周围的热影响小；

②可加工其它激光难以加工的材料，如透明材料、高熔点材料、热分解器和热变形材料等；

③可利用聚焦光束进行控制深度方向的内部加工。

但在飞秒加工中，当脉冲能量密度过大时，会使原始材料熔化、出现微裂纹并对周边产生较大的热影响，其加工结果与纳秒加工没有什么区别。

因此，为了实现高品质、重复性好和碎片少的加工，采用略超过加工阈值的脉冲能量密度至关重要。具有高重复脉冲的FCPA“Jewel激光器能最大限度地利用飞秒加工的优点进行高速加工．并有望实现低成本加工。

综上所述，飞秒加工只能用直径约几微米的焦点进行加工。如果在进行某种大体积物质的去除加工时，需在光束高速旋转的同时进行高速扫描加工。飞秒加工机可根据客户的需求进行加工。

5、飞秒加工的实例

下面介绍采用FCPAJewel激光器加工的实例。

5．1、在树脂衬底上选择去除金属薄膜

爱信精机公司的研究人员对是否能最小限度地保持加工周围的热影响，是否能够仅对所指定的部位进行微细加工进行了试验验证。对聚酰亚胺树脂薄膜衬底（厚度25m）上的4．5m 铜膜进行了去除实验，加工样品的去除宽度为75m。采用的激光束直径为40m、以12000r．P．S 的转速旋切，进给速度为0．5mm／s横向扫描3次，深度方向扫描3次实现了去除加工。结果表明，对树脂无热影响，实现了理想的铜膜去除加工。这种加工方法有望用于电路的修复、去毛刺和小批量产品的图案成型。

5.2、在石英衬底上加工微通道

在生物和制药领域．飞秒激光器可以在石英基板上进行微通道加工。用飞秒激光器在石英衬底上形成宽70μm、深200μm任意形状的槽。

通常廉价的、一次性使用的微通道采用的是树脂衬底，但对部分需要到达紫外波段的要采用对紫外线透射的石英衬底。

加工方法是以直径为70m的光束旋切，0．5mm／s的进给速度，加工深度随扫描次数的增加而任意增加，也可实现1mm衬底的穿透加工。利用飞秒激光也可对硼硅玻璃、蓝宝石等衬底材料进行同样的加工，但加工的表面光洁度不理想（Rr=0．5μm）。为解决这个问题，必须改善进给速度和激光输出功率等加工条件，使其达到最佳化。

5．3、单晶金刚石的微细打子L加工

利用FCPA μ Jewel飞秒激光器对其它激光器难以加T的单晶金刚石进行了打孔加工（孔径20μm）。用光束开孔的同时，采用光束扫描表面并在深度方向以2μm/s的速度扫描实现深孔加工的例子。在加工部位的周同未见烧伤痕迹，实现单品金刚石的理想加工。

5．4、耐热铬镍铁合金的槽加工

铬镍铁合金是一种在l200oC高温下也难以熔化的高耐热性合金．因此难以切削。用于

高压实验的一些元件使用这种材料，其微细布线需要开细槽。采用FCPA μ Jewel飞秒激光器对铬镍铁合金表面进行了开槽加工，加工结果如图5所示，槽宽为50μm、槽深为42μm，整个槽的深度与宽度都很均匀，说明加工过程非常稳定。另外从照片可以看出槽边缘部位没有下垂碎沫附着。

5．5、直径1μm子L的加工

当用物镜聚焦红外激光时，聚焦直径为几微米。一般很难实现尺度在聚焦直径以下的微孔加工。然而，飞秒激光器可利用聚焦点上的光束强度分布，通过对超过加工阈值的中心部分进行调整成功地打出了比聚焦直径小的微孔。

另外，飞秒光纤激光器可用于制作生物传感器要求激光器在SiO膜上、厚度为364nm 的钴膜上打出直径为1μm的孔，而不能伤及钴膜下面的Si02。若在加工过程中产生碎沫则不能确保纳米级的光洁度，还会影响其后边的工序。

当加工条件达到最佳化时，激光输出聚焦功率达5mW，当用50倍的物镜聚焦时，可以获得约lμm的孔。当照射时间为4～8msec时，孔深达364nm．正好只去除钴层，而不伤及Si02层。孔周围几乎没有碎沫，达到了理想的加工结果在加工口处见到的须状物可能是存偏振方向形成的垂直表面的纳米周期结构。如果将偏振光变成圆偏振光，或无偏振光，那么这种现象就会消失。

6、结束语

事实上，爱信精机公司的飞秒激光用于工业加工的最大障碍是受飞秒加工基本利的限制，也就是所谓的“密歇根利（美国利号：专利5656186、日本专利号328365）”。这项利是加工方法的专利，激光制造商不能直接侵权，但为拓展飞秒加工技术在工业中的应用，爱信精机公司现已获得了该利使用权。

此外，爱信精机公司还组建了能实际利用爱信精机公司生产的激光器进行加工的“开放实验室”希望今后飞秒加T技术的应用得到进一步的发展。