创新使超快速激光更快
超快激光或超短脉冲激光发射脉冲的几飞秒到几皮秒。这些激光器是必不可少的工具为各种不同的应用程序(如激光材料加工包括切割、打标、钻孔、加法制造和光谱研bob投注体育信赖吗究。
在激光材料加工,超短脉冲是受欢迎的,因为他们只蒸发材料在激光焦点位置没有过热周围的物质。其他材料加工应用程序使用放大的高强度超短脉冲激发双光bob投注体育信赖吗子吸收过程,如激光切割玻璃、蓝宝石或角膜透明材料,不吸收波长基本但第二谐振波长。
飞秒激光器在激光材料加工至关重要。
光谱的应用程序使用相同的两个bob投注体育信赖吗特征,但方式不同。在模拟摄影,光线flash或很短的快门时间减少了胶片曝光冻结快速移动的物体。同样,超短激光脉冲可以被认为是超快的频闪观测化学反应在飞秒时间框架。
宽波长范围的超短脉冲是一个重要的考虑因素在设计超快激光。短脉冲是由许多波长,颜色越多导致脉冲,脉冲越短。因此每个组件使用的超快激光的光束路径必须适合广泛的光谱范围的操作。所以不仅是镜子和窗户涂料需要覆盖广泛的光谱范围,但激光媒体还必须发出,在广泛的光谱范围扩大
图1所示。光谱宽度400 - fs脉冲发出Yb: YVO激光。应用:全宽度一半的媒介。由光谱物理、高Q激光GmbH, Rankweil,奥地利。
掺杂剂决定光谱范围
主动激光媒体是每个激光器的关键元素。对于固体激光,这通常包括一个玻璃或晶体掺杂剂添加主机。这种掺杂剂大致决定了激光的中心波长同时掺杂剂的组合和主机设置发射的光谱范围,激光增益本身,最终激光脉冲的长度。
所有常见的掺杂物,钛,托管于一个蓝宝石晶体,具有最广泛的光谱放大,因此非常适合于脉冲的一代几十飞秒的范围。
对于工业应用,镱(Yb)是常用bob投注体育信赖吗的泵以来吸收光谱是非常广泛的,它有效地将泵的能量转换成激光。托管在掺钕钇铝石榴石晶体时,获得如此之高的激光棒可以减少薄盘自光只需要旅行小距离Yb:掺钕钇铝石榴石达到显著放大1。另一方面,Yb光谱获得的掺钕钇铝石榴石是如此的小,这些磁盘只能发出皮秒激光脉冲。当在钒酸(YVO托管4)晶体,发射光谱变得更加广泛,使Yb:伊沃4飞秒激光器的材料选择在1030 nm地区。同时,Yb的获得:沃4要少得多而Yb:掺钕钇铝石榴石-因此长激光晶体需要达到足够的放大。
作为主机,晶体材料是首选,因为它通常更高的导热系数和损伤阈值相比,玻璃。然而,玻璃制造,是容易得多,因此更便宜,可以在大尺寸2。除了选择合适的激光多媒体模式锁定,控制色散效应和放大是重要的建立一个强大的超快激光器。
锁模
考虑一个Ti:蓝宝石晶体的激光腔泵连续波(CW)激光器。如果腔是正确对齐,激光将在自由奔跑政权开始振荡,这意味着它会摆动的同时,不断内腔的共振频率的发射光谱Ti:蓝宝石晶体。移动的激光脉冲的连续波体制制度,不同频率的所有模式需要被锁定在一个固定的相位关系彼此(锁模)。
锁模可以以两种方式完成。在主动锁模谐振器损失同步调制谐振腔的往返时间,例如,通过一个表示声音或电光调制器。在被动锁模谐振器的损失是由饱和吸收体调制或克尔透镜。
饱和吸收剂,吸收损失和增加光强度降低。因此,当激光开始不断振荡,强度峰值,产于激光噪音,减少损失或平均强度比低。经过多次往返,仍然是一个单脉冲3。脉冲将振荡腔通过输出耦合镜,一小部分的脉冲将发出。给出一个典型的谐振器长度1.5米,双向的长度是3米。因此,脉冲,以光速旅行,会通过输出耦合器1亿次,100 - mhz脉冲重复率。
分散
超短脉冲传送的腔,通过腔内的所有光学元素(一个环谐振器)至少一次或两次每往返(线性腔)。自脉冲由许多颜色,它通常会体验群延迟色散红光比蓝光通过光学媒体的传播速度快。这将扩大和啁啾脉冲,需要补偿一双棱镜或衍射光栅,或所谓的镜子鸣叫的红色光的穿透深度比蓝光是更深层次的。
放大
由于80 - 100 MHz重复率高,峰值强度的超短脉冲发出的一个振荡器是很小,即使振荡器收益率适中的平均功率。由于许多应用程序,尤其bob投注体育信赖吗是在材料加工,需要更高的峰值强度,至关重要的是超短脉冲放大。这个放大实现由一个主振荡功率放大(MOPA)系统的超短脉冲主振荡器耦合成一个放大器。激光媒体广泛的光谱增益通常表现出低增益,因此脉冲需要旅行很长的距离通过媒体获得相当大的放大。
最普遍的飞秒脉冲放大器类型是再生放大器。在这种类型的放大器,泡克耳斯细胞选择一个脉冲的脉冲序列100 - mhz种子发出的振荡器到通过放大器放大谐振器,它需要很多往返晶体。再生放大器的镜子都是高度反光的保持每往返损失尽可能低。与每个往返和每个通过放大器水晶,脉冲获得更多的能量。伊弗Yb:或Nd:玻璃脉冲大约需要100往返,直到耦合或倾倒出来。
超短脉冲可以达到非常高的峰值功率相对迅速。避免损伤光学元素,脉冲拉伸之前耦合到腔内的放大器或拉伸时通过使用前一节中描述的群延迟色散。在第一种情况下,结合光栅脉冲。第二、光学放大器内腔拉伸脉冲的元素,主要是透明的元素,如普克尔斯盒或放大器晶体。拉伸脉冲有相同的能量为超短脉冲但峰值强度低得多,因为他们有更长的持续时间。拉伸脉冲的放大是通常被称为啁啾脉冲放大。放大后拉伸脉冲放大器腔倾倒,他们需要再次被压缩,这是最常与一对光栅4。
为了避免放大脉冲运行回种子激光,造成损坏或不稳定,一个法拉第隔离器将种子从放大器振荡器。
快速切换的关键
特别是在激光材料加工应用,超快的系统不仅需要高脉冲峰值功率也可以受益于高重复率,减少bob投注体育信赖吗每个工件的加工时间。普克尔斯盒选择种子发出的脉冲序列的脉冲激光和决定了重复率。给出一个典型的空腔长度1.5米和100流量,脉冲在腔呆大约一微秒;从理论上讲,大约每秒100万次脉冲可以被放大。从历史上看,压电效应阻止这些切换率高。普克尔斯盒由一个电光晶体,通过应用高电压,一个单脉冲的偏振旋转100 - mhz脉冲序列。然后该单脉冲耦合放大器通过偏振器。
普克尔斯盒高电压时,电光晶体的变形并强调由于压电效应。这种通过elasto-optic压力将导致额外的双折射效应,这将扰乱最初预期的电光效应。自种子发出的脉冲激光只相隔大约10 ns,非常快速,精确的转换波克尔斯细胞是必需的,这意味着压电响应尽可能小。所以,电光材料将会选择在这种情况下,压电效应是明显很弱,像β硼酸钡(偏硼酸钡)或铷titanyle磷酸(RTP)。
图2
Qioptiq DBBPC HR普克尔斯盒,两个β硼酸钡(偏硼酸钡)晶体开关频率1.3 MHz。Qioptiq的礼貌Excelitas技术公司。
的切换电压偏硼酸钡RTP远远高于;然而,它有一个easy-to-compensate群延迟色散和高超的吸收系数,使其成为高功率激光系统的最佳选择。大约300 kHz偏硼酸钡可以使用作为一个非常精确的开关电光晶体相对容易。但在更高的频率,即使很小的压电振铃效应将导致麻烦的响晶格热消散。例如,在750 kHz水晶可以加热到130°C。这些热量会导致热膨胀和扭转波克尔斯细胞住房,导致错位的晶体或损坏泡克耳斯细胞。水冷可以消耗热量,但由于水和高电压不拌匀,水冷单元的设计太复杂,并不经济。
目前已经开发出了新的偏硼酸钡泡克耳斯细胞与改进的热管理和非常僵硬,temperature-stable住房(图2)。一起偏硼酸钡晶体的最小可能的吸收,这泡克耳斯细胞代表一个新的基准光电技术的快速交换MHz范围和由此产生的高值激光权力。
的法拉第隔离器
如前所述,法拉第隔离器是一个关键的元素在MOPA系统因为它将振荡器的放大器。在许多再生放大器配置,一对法拉第隔离器还用于脉冲放大器和转储脉冲回(图3)。
图3。设置再生放大器。泡克耳斯细胞结合四分之一波长板和薄膜偏振器(TFP)作为光开关。法拉第旋转器是用来将输入和输出脉冲。由r . Paschotta (2008)。激光物理和技术的百科全书,p . 632。柏林:Wiley-VCH 1 -。
激光权力以来急剧增加和紫外转换放大的短脉冲已经成为更受欢迎,激光制造商现在更重视low-outgassing组件在其系统的性质。通常,法拉第隔离器和许多胶粘剂制造,这是最差的材料出气的行为。最近,粘合剂已经尽可能避免,如果他们无法避免,他们一直vacuum-compatible粘合剂取代,导致一系列全新的low-outgassing法拉第隔离器(图4)。
图4
Qioptiq low-outgassing法拉第隔离器有助于增加封装的生活时间,高功率和紫外线短脉冲激光系统。Qioptiq的礼貌Excelitas技术公司。
多年来,飞秒脉冲最短的事件,可以人工合成,因此,激光系统已经在技术和物理可行性的边缘。今天,技术问题正在逐步得到解决,价格是每千瓦输出功率降低,令人兴奋的新开放前沿飞秒技术为各种新的应用程序。bob投注体育信赖吗
引用
- w . Koechner (1976)。固态激光工程,p . 87。柏林:施普林格1 -。
- w . Koechner (1976)。固态激光工程,57页。柏林:施普林格1 -。
- r . Paschotta (2008)。激光物理与技术的百科全书,p . 507。柏林:Wiley-VCH 1 -。
- c . Lupulescu (2004)。在organometallischen Femtosekunden-Analyse和Ruckkoppelungskontrolle冯molekularen Prozessen和alkalischen Systemen, p。22日,柏林自由大学论文。