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奥创光子高功率、高能量、亚百飞秒脉宽的工业级脉冲非线性压缩装置
材料来源:奥创光子          

受时间带宽积原理的物理限制以及高功率飞秒激光增益介质实际增益带宽的制约,常用的掺镱激光介质难以支持直接输出亚百飞秒脉冲。超快激光技术领域发展出的非线性光谱展宽方法,可实现对激光器输出的飞秒脉冲进行二次光谱宽度扩展,再通过二次色散补偿获得更窄的脉宽。该技术方法已在科研用飞秒激光系统中推广使用,成为数十飞秒窄脉冲的常用产生机制。随着各类低损耗非线性光谱展宽器件的出现和完善,该技术也逐步进入工业飞秒激光系统,为极端制造、精密加工创造更高峰值功率、更小热效应的激光源。

奥创光子已推出了EXshort系列非线性脉冲压缩装置,具有独立的模块化封装,可内置于飞秒激光器腔内或外挂于飞秒激光器输出端,对传统飞秒激光器的输出百飞秒脉冲进行再次压缩,可获得脉宽100~150fs的更窄脉冲。并且奥创光子团队的技术迭代开发工作仍在持续进行中,目前我们已完成2000W高功率高能量飞秒激光器的样机开发,最大可输出能量8mJ的超短超强脉冲,具有80GW的超高峰值功率!

在飞秒激光市场向更高功率、更大能量飞秒激光器需求的驱动下,窄脉宽高能高功率飞秒激光器成为战略前沿产品,在高效精密加工、大科学装置等应用方向有着众所期待的潜力。针对这样的前瞻性应用需求,奥创光子开发出了适用于高功率、大能量飞秒脉冲的非线性压缩装置,可承受激光功率最大达300W,最大输入脉冲能量高达2mJ,并具有与EXshort系列类似的一体化独立腔体结构,能够方便安装到奥创光子的大部分飞秒激光头前端,实现对各型号飞秒激光器的峰值功率拔高。

图1. 外置于高能飞秒激光器的非线性压缩装置实物 

定位于无源性高功率激光模组,该产品的激光强度承受能力是首要考虑因素。不同于EXshort系列的光谱非线性展宽介质采用石英玻璃,高功率激光的非线性光谱展宽须在极高损伤阈值的光学透明载体中实现,对于高能飞秒激光束,自身就有极高的峰值功率,其电场强度足以在空气中激发非线性效应,因而空气恰好是理想的高稳定性光谱展宽介质。

考虑空气介质有限的非线性系数,自相位调制的激发需要激光束的反复聚焦方能实现,从而以多通腔(MPC)作为入射飞秒激光束的光路架构,即一对共焦凹面镜组成的类谐振腔腔体将入射飞秒脉冲在一定的光程内制约于腔内往返反射传输,每次经过腔内焦平面附近即产生极高峰值功率密度,激发非线性光学效应;多次往返和聚焦所产生的自相位调制效应积累,脉冲光谱因此逐渐加宽。合理设计折返次数,当加宽到所需谱宽,脉冲恰好从多通腔反射输出,进入到下一个色散补偿环节。色散补偿镜和多通腔凹面反射镜表面承受着很高的光强,其镀膜参数就要求极高,镀膜光学品质不仅要保证高于光致损伤阈值、光电离阈值,并且凹面反射层在相当宽的光谱范围内要有低色散特性,而色散补偿镜具有较大的负色散特性。该模块产品的MPC腔镜为60mm直径,能够分布超过30次的往返光路,啁啾镜数量2~6片可根据脉冲实际测得的啁啾特性来调整。

产品家族的相互兼容性、适应性是各类附件产品,尤其是外置式装置的设计原则之一。类似于奥创光子的外挂式倍频模块,该非线性压缩装置在壳体接口一侧具有定位槽,方便初步定位入射角度和光高,实现与奥创光子各类飞秒激光头衔接;而且考虑到不同型号激光器的初始入射脉冲强度的差异,有效的非线性光谱展宽就相应地需要不同的MPC腔内折返次数,或不同的聚焦点光斑直径,为了保证该兼容性需求,对MPC的输入光束整形透镜组设计了可变聚焦功能,以此实现对腔内聚焦光斑直径的调整,同时将MPC导入镜的调节机构设计为五维可调的机械结构,可根据不同的腔内折返次数需求来调整导入光束的初始角度、位置。

这样的兼容性调节机构设计,使该非线性压缩模块能够改变MPC中激发的非线性效应强度,按实际应用需要的光谱宽度进行MPC腔内折返次数调整,实现对200µJ~2mJ大范围能量强度的入射飞秒脉冲二次压缩。实际压缩效率受MPC腔内折返次数以及啁啾镜的影响。兼容性亦体现在该装置的非线性效应加强需求,即对于需要急剧展宽光谱的应用,或入射脉冲峰值过小,仅靠空气的非线性难以支持光谱有效展宽,对此而设计了气体输入输出接口,在需要增强非线性介质的非线性系数时,可向腔内充入高非线性气体。

图2. 非线性压缩装置的典型输入输出光谱和脉冲 

作为激光头上的外挂模块,其稳定性决定了产品适用度。除了具有连接槽、支撑座的气密性壳体,壳内的光机零部件大部分为胶化固定,确保每个光学镜片的稳固性,仅有的几个可调机械装置都具备锁紧功能。辅助调光机构包括校准光束输入窗口、内光路分支指向点监测窗口、腔镜光斑分布监测窗口等,能够满足对腔内几处关键位置的光束能量、指向的测量和判断,不仅便于生产装调,也利于后期维护检修。该装置唯一需要定期更换的物料是内嵌于腔体侧壁中的干燥剂。

图3. 非线性压缩装置的输出光束质量测试

几个典型的非线性压缩输出数据见图2、图3、图5。在48.7、1.21mJ的1030nm飞秒激光输入下,该非线性压缩装置输出43.5W、1.08mJ的二次压缩脉冲,整体效率接近85%,当入射脉冲峰值功率提高,压缩效率会进一步提升。入射脉冲宽度759fs,非线性压缩后的输出脉冲宽度97fs,获得了近7倍的压缩比。为了兼容不同脉宽的应用需求,用户可以调节飞秒激光器的压缩器输出不同脉宽,则非线性压缩后的脉宽也随之发生改变,这就相当于调节输入脉冲的啁啾量以改变非线性压缩效果,其数值模拟仿真所得规律性见图4。

图4. 数值模拟在不同啁啾特性的入射脉冲条件下,输出的非线性压缩脉冲光谱和脉宽演化规律 

实测中,当前端飞秒激光器为脉宽可调(如700fs~10ps),经过非线性压缩装置后的脉宽范围也相应扩展到最短~100fs。该非线性压缩装置良好的机械稳定性和杂散光管理,确保了输出的二次压缩脉冲的功率稳定性(图5)。

图5. a非线性压缩装置的输出功率稳定性测试 

图5. b.输出光束指向稳定性测试  奥创光子技术有限公司是一家专业从事工业级飞秒激光器及其核心器件研发、生产与应用的国家高新技术企业。总部坐落于浙江省杭州市,目前拥有约10000平方米光学洁净室和办公区。公司创始核心团队由中科院西安光学精密机械研究所国家重点实验室核心队伍及海归超快激光器工程化专家共同组成,其中包括国家万人计划专家、国际知名超快激光器企业首席设计师等,是目前国内超快激光领域的先行者和引领者。

自2018年创立以来,公司已申请150余项专利,已拥有核心技术包括NALM全光纤长寿命锁模种子源量产工艺、高阶色散可调控CFBG制作工艺、抛物脉冲高保真光纤CPA技术、高增益innoslab放大器封装工艺及技术等,结合100%自主设计的超快种子源、温度调谐式啁啾光纤光栅等核心器件,已成功推出千瓦级、毫焦级、超短脉宽等系列化飞秒激光器产品,并在国内率先实现工业领域批量出货,年量产出货超过500台,打破了该领域被国外产品长期垄断的局面。

文章来源:奥创光子

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