飛秒光纖激光器的特點及應用

飛秒光纖激光器是一種主要由光纖激光器構成，具有飛秒（10負15次秒）區(qū)持續(xù)時間的脈沖激光器。

飛秒激光器的脈寬極窄，瞬問功率極高，既使平均輸出功率為lW，峰值功率也能達到千瓦級至兆瓦級以上。飛秒激光器現(xiàn)已應用于以往納秒脈沖激光器或連續(xù)波激光器無法應用的各種領域。

1990年，日本愛信精機公司以IMRA AmericaInc.的名字在美國成立了一家子公司，門從事飛秒光纖激光器的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售與應用開發(fā)工作。因此“IMRA”既是美國研究法人的名字，又是愛信精機公司生產(chǎn)的激光器的商標名稱，這是在美國研究開發(fā)、日本制造的激光器。

1、飛秒光纖激光器的優(yōu)點

1.1、小型 輕便

光纖激光器在確保必要光學長度的同時，可將光纖卷成半徑約3cm的環(huán)形。與固體激光器相比，光纖激光器的體積大幅縮小。光纖形態(tài)每單位體積的表面積大于棒狀或片狀晶體激光器，散熱效果好，不需要冷卻器等外圍裝置，因此在這方面又大幅縮小了激光器的體積。

1．2、高可靠性 高穩(wěn)定性

光纖激光器是由光纖部件組裝而成。這些光纖部件采用電弧熔接的方法，因此光學軸長期無偏移，這種連接方法確保了光纖激光器的穩(wěn)定性和可靠性。另外，IMRA激光器系統(tǒng)外部采購的

激光配件都嚴格選用高可靠性的光通信部件，這也對激光器系統(tǒng)的高可靠性提供了保障。

1．3、高光束質(zhì)量

單模光纖輸出的光是近乎理想的點光源，輸出光束的圓度和強度分布較容易獲得接近理想的高質(zhì)量輸出光束。飛秒光纖激光器在用于微細加工時，聚焦光束很容易達到透鏡的聚焦極限，因此適于微細加工。

1．4、低功耗

現(xiàn)已廣泛使用的鈦寶石飛秒激光振蕩器的晶體吸收波長在530nm附近，將大功率Nd：YAG激光器的波長轉換成530nm來泵浦激光器，既需要大型Nd：YAG激光器，又需要冷卻器，其電能消耗很大。而光纖激光器則不需要冷卻器，可以用二極管激光器直接泵浦。結果表明，飛秒光纖激光器的電光轉換效率優(yōu)于鈦寶石飛秒激光器1個數(shù)量級。

2、飛秒光纖激光振蕩器

雖然20世紀90年代初問世的飛秒光纖激光器的光學軸具有長期無偏移的特點，但因溫度的變化等會使偏振面光纖旋轉，從而導致輸出功率的改變，因此需要偏振面的調(diào)整機構，并需要維護。

1994年，F(xiàn)ermann等人利用新結構的被動鎖模飛秒脈沖激光振蕩器實現(xiàn)了無調(diào)整運轉。科研人員在諧振腔的兩端對置法拉第轉子，以往返運轉來補償因環(huán)境變化所引起的偏振旋轉。振蕩器的波長為1560nm，重復頻率為50MHz、脈寬為400fs，平均輸出功率為5mW。此外，還附加了光放大器和波長轉換器。該振蕩器于1998年開始以“飛秒光R”為品牌投放市場，無須維修，可穩(wěn)定工作30000h以上，現(xiàn)仍在繼續(xù)工作

這種被動鎖模飛秒脈沖激光振蕩器可用于最先進的光通信用光計量系統(tǒng)中，作為免維修光源，現(xiàn)已被多家公司的飛秒激光應用儀器所利用。

3、飛秒光纖放大器

當飛秒脈沖激光器用于工業(yè)加工時，需要兆瓦級的脈沖峰值功率。因此，為將“飛秒光R”的千瓦級峰值功率放大3個數(shù)量級以上，愛信精機公司開發(fā)了如下2種放大方式。

3．1、光纖啁瞅脈沖放大

為了獲得高脈沖能量．采用了在鈦寶石等固體激光放大器中廣泛應用的啁啾脈沖放大方式。這種方式是在光放大器之前，利用波長引起的折射率差延長脈寬使峰值功率降低并實現(xiàn)光放大，然后在最終端進行脈沖壓縮。

與固體激光放大器的區(qū)別是：光纖啁啾放大無需用空間光學部件，而是用光纖的色散來實現(xiàn)放大，因此人們將其稱為光纖啁啾脈沖放大（FCPA）。

3.2、用大口徑光纖進行光放大

當單模光纖內(nèi)的飛秒脈沖進行光放大時，若脈沖能量為nJ／p以上，非線性效應則變得明顯，增益下降。為了控制這種非線性光學效應，增大光纖內(nèi)的有效面積，并降低每單位面積的峰值功率，能夠有助于實現(xiàn)大功率。

然而，擴大有效面積和單模變成多模會降低光束質(zhì)量。為解決這個問題，可通過選擇性地提高光纖高階模的損耗達到理想要求。實驗結果證明，即使將多模光纖用于放大也可以保持高光束質(zhì)量。

3．3、工業(yè)加工用飛秒光纖激光器——FCPA μ Jewel

以上述技術為基礎，愛信精機公司推出了FCPA μ Jewel脈沖激光器。該激光器具有小型、輕便、高穩(wěn)定性和高可靠性的優(yōu)點。在以重復頻率工作時，具有級的脈沖能量。因這種激光器的振蕩介質(zhì)不同，所以該公司開發(fā)了2種類型。無論哪種類型，均不需要冷卻器，僅使用100V交流電源就可運轉。

4、利用FCPA μ Jewel激光器進行飛秒微細加工

從原理上講，飛秒激光加工與以往用較長脈寬的納秒激光加工有所不同。

用納秒激光加工時，當激光照射物質(zhì)時，首先電子振動，然后因其聲耦合而變?yōu)榫Ц裾駝樱χ車鷤鳠幔怪車镔|(zhì)加熱、熔化、蒸發(fā)。采用納秒激光器可進行鉆孔和切割加工。

飛秒激光器因光脈沖的持續(xù)時間為飛秒級，因此在聲振動轉換為晶格振動之前便結束能量供給。當脈沖能量低于加工閾值時，電子振動停止。若高于某閾值以上，其強大的振動引起電離，剝離耦合電子，引起物質(zhì)的燒蝕。也就是說，飛秒激光器可實現(xiàn)不經(jīng)過熱過程的加工．只用透鏡聚焦光束進行控制深度方向的三維加工，這就是飛秒激光加工的特點。

飛秒加工具有下列優(yōu)點：

①對加工區(qū)周圍的熱影響小；

②可加工其它激光難以加工的材料，如透明材料、高熔點材料、熱分解器和熱變形材料等；

③可利用聚焦光束進行控制深度方向的內(nèi)部加工。

但在飛秒加工中，當脈沖能量密度過大時，會使原始材料熔化、出現(xiàn)微裂紋并對周邊產(chǎn)生較大的熱影響，其加工結果與納秒加工沒有什么區(qū)別。

因此，為了實現(xiàn)高品質(zhì)、重復性好和碎片少的加工，采用略超過加工閾值的脈沖能量密度至關重要。具有高重復脈沖的FCPA“Jewel激光器能最大限度地利用飛秒加工的優(yōu)點進行高速加工．并有望實現(xiàn)低成本加工。

綜上所述，飛秒加工只能用直徑約幾微米的焦點進行加工。如果在進行某種大體積物質(zhì)的去除加工時，需在光束高速旋轉的同時進行高速掃描加工。飛秒加工機可根據(jù)客戶的需求進行加工。

5、飛秒加工的實例

下面介紹采用FCPAJewel激光器加工的實例。

5．1、在樹脂襯底上選擇去除金屬薄膜

愛信精機公司的研究人員對是否能最小限度地保持加工周圍的熱影響，是否能夠僅對所指定的部位進行微細加工進行了試驗驗證。對聚酰亞胺樹脂薄膜襯底（厚度25m）上的4．5m銅膜進行了去除實驗，加工樣品的去除寬度為75m。采用的激光束直徑為40m、以12000r．P．S的轉速旋切，進給速度為0．5mm／s橫向掃描3次，深度方向掃描3次實現(xiàn)了去除加工。結果表明，對樹脂無熱影響，實現(xiàn)了理想的銅膜去除加工。這種加工方法有望用于電路的修復、去毛刺和小批量產(chǎn)品的圖案成型。

5.2、在石英襯底上加工微通道

在生物和制藥領域．飛秒激光器可以在石英基板上進行微通道加工。用飛秒激光器在石英襯底上形成寬70μm、深200μm任意形狀的槽。

通常廉價的、一次性使用的微通道采用的是樹脂襯底，但對部分需要到達紫外波段的要采用對紫外線透射的石英襯底。

加工方法是以直徑為70m的光束旋切，0．5mm／s的進給速度，加工深度隨掃描次數(shù)的增加而任意增加，也可實現(xiàn)1mm襯底的穿透加工。利用飛秒激光也可對硼硅玻璃、藍寶石等襯底材料進行同樣的加工，但加工的表面光潔度不理想（Rr=0．5μm）。為解決這個問題，必須改善進給速度和激光輸出功率等加工條件，使其達到最佳化。

5．3、單晶金剛石的微細打子L加工

利用FCPA μ Jewel飛秒激光器對其它激光器難以加T的單晶金剛石進行了打孔加工（孔徑20μm）。用光束開孔的同時，采用光束掃描表面并在深度方向以2μm/s的速度掃描實現(xiàn)深孔加工的例子。在加工部位的周同未見燒傷痕跡，實現(xiàn)單品金剛石的理想加工。

5．4、耐熱鉻鎳鐵合金的槽加工

鉻鎳鐵合金是一種在l200oC高溫下也難以熔化的高耐熱性合金．因此難以切削。用于高壓實驗的一些元件使用這種材料，其微細布線需要開細槽。采用FCPA μ Jewel飛秒激光器對鉻鎳鐵合金表面進行了開槽加工，加工結果如圖5所示，槽寬為50μm、槽深為42μm，整個槽的深度與寬度都很均勻，說明加工過程非常穩(wěn)定。另外從照片可以看出槽邊緣部位沒有下垂碎沫附著。

5．5、直徑1μm子L的加工

當用物鏡聚焦紅外激光時，聚焦直徑為幾微米。一般很難實現(xiàn)尺度在聚焦直徑以下的微孔加工。然而，飛秒激光器可利用聚焦點上的光束強度分布，通過對超過加工閾值的中心部分進行調(diào)整成功地打出了比聚焦直徑小的微孔。

另外，飛秒光纖激光器可用于制作生物傳感器要求激光器在SiO膜上、厚度為364nm的鈷膜上打出直徑為1μm的孔，而不能傷及鈷膜下面的Si02。若在加工過程中產(chǎn)生碎沫則不能確保納米級的光潔度，還會影響其后邊的工序。

當加工條件達到最佳化時，激光輸出聚焦功率達5mW，當用50倍的物鏡聚焦時，可以獲得約lμm的孔。當照射時間為4～8msec時，孔深達364nm．正好只去除鈷層，而不傷及Si02層。孔周圍幾乎沒有碎沫，達到了理想的加工結果在加工口處見到的須狀物可能是存偏振方向形成的垂直表面的納米周期結構。如果將偏振光變成圓偏振光，或無偏振光，那么這種現(xiàn)象就會消失。

6、結束語

事實上，愛信精機公司的飛秒激光用于工業(yè)加工的最大障礙是受飛秒加工基本利的限制，也就是所謂的“密歇根利（美國利號：專利5656186、日本專利號328365）”。這項利是加工方法的專利，激光制造商不能直接侵權，但為拓展飛秒加工技術在工業(yè)中的應用，愛信精機公司現(xiàn)已獲得了該利使用權。

此外，愛信精機公司還組建了能實際利用愛信精機公司生產(chǎn)的激光器進行加工的“開放實驗室”希望今后飛秒加T技術的應用得到進一步的發(fā)展。