皮秒激光器用途（皮秒激光器的原理及应用）

高功率皮秒激光器因其峰值功率高、脉宽窄（10-12s）而被广泛应用于精细材料加工、LED芯片划片、太阳能光伏、科学研究等领域。与传统纳秒激光（10-9s）相比，采用皮秒激光加工材料，具有加工精度高、热效应极小、加工边缘无毛刺等优点。与飞秒激光（10-15s）相比，皮秒激光也有很多优点。由于不需要展宽和压缩脉冲进行放大，皮秒激光器结构相对简单，因此更具成本效益，性能也更可靠。同时，皮秒脉冲仍然足够短，足以处理非常精确且无应力的精细加工。

目前国内工业领域对皮秒激光器的需求巨大，但大多依赖进口，价格昂贵且维护麻烦。国内提供皮秒激光器产品的企业较少，但由于产品稳定性问题，市场占有率较低。

工业高功率皮秒激光器的单脉冲能量通常需要达到微焦甚至亚毫焦级别，而锁模种子激光器的频率达到MHz以上，种子的单脉冲能量通常为nJ。为了获得高单脉冲能量，可以通过脉冲选择技术降低种子频率，然后通过高增益放大器实现高单脉冲能量输出。皮秒激光器的工作原理如下图所示。其结构主要包括种子激光器、脉冲选择单元和放大器三部分。 MHz高频种子光脉冲通过声光或电光调制器选择kHz激光脉冲，然后对脉冲进行单级或多级放大，以实现高单脉冲能量输出。主要关键技术如下：

— 皮秒种子源技术—

种子源技术是皮秒激光器的核心技术。种子源的性能直接决定皮秒激光器的稳定性和可靠性。皮秒激光器最难控制的地方、最容易出问题的地方就是种子激光器。如何延长可饱和吸收镜？使用寿命成为种源技术的关键。种子激光器一般分为两种类型：基于半导体泵浦技术的固体种子和基于光纤技术的光纤种子。固体种子存在结构复杂、体积大、成本高、稳定性差等缺陷。用于锁模的可饱和吸收镜可以承受高功率和高热量，其寿命通常小于1500小时。为了满足10000小时的使用寿命，需要饱和吸收镜经常换点。相比之下，光纤种子源可饱和吸收镜承受的功率和热量要低得多，而且使用寿命要长得多。即使饱和吸收镜不换点，其寿命也能达到10000小时以上。此外，光纤种子源还具有结构简单、生产成本低、性能稳定、基本免维护等优点，因此成为各大激光器供应商的首选。

— 皮秒放大器技术—

为了获得较大的单脉冲能量输出，需要通过高增益放大器对种子脉冲进行放大。皮秒放大器的难点在于如何控制放大激光的光束质量以及如何避免因高峰值功率而损坏放大器内部元件。高增益放大器可分为三种类型：光纤放大器、再生放大器和多通行波放大器。

光纤放大器的优点是输出功率高、放大增益高（109）、结构简单稳定、生产成本相对较低。缺点是由于光纤的非线性效应，无法获得较高的单脉冲能量输出，通常小于10uJ。

再生放大器的优点是放大器增益高，很容易获得200uJ的单脉冲能量输出。缺点是放大腔结构复杂，脉冲时序要求非常严格。同时需要增加电光腔排空功能，生产难度大，成本高，稳定性差。不容易控制。

多通行波放大器的优点是结构简单、稳定可靠、生产成本低、易于获得高单脉冲能量输出。缺点是单级放大增益较小，一般只能达到103-104，但可以通过增加放大级数来获得。更高的增益。

— 选择性脉冲技术—

除了种子源和放大技术外，皮秒激光器还有一项关键技术，即种子源脉冲选择技术（Puls Picking）。如上皮秒激光器原理图所示，目前脉冲选择技术的实现方式主要有两种：AOM和EOM。本质基本相似，都是通过晶体的非线性效应实现种子脉冲的选择性拾取。下面简单介绍一下利用AOM实现脉冲选择的基本原理。

声光的基本原理：

脉冲选择的实现：

— 先进的控制技术—

除种子源和放大器技术外，皮秒激光器的关键技术还包括泵浦源驱动和温度控制技术、脉冲同步技术、数据记录技术、功率调节和监测技术等。

泵浦源驱动和温控技术决定了泵浦光的功率和波长稳定性，直接影响输出激光脉冲的稳定性。数据记录技术可以了解激光器运行过程中的所有数据变化，以跟踪激光器的使用状态。功率调节和监控技术可以实时调节和监控激光器的输出功率，因此在激光加工过程中至关重要。

*英国GoochHousego公司红外1064nm光纤耦合声光调制器基本参数如下：图片

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