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超快光纤激光器发展迅猛,未来可期
来源: | 作者:huaraylaser | 发布时间 :2021-01-01 | 496 次浏览: | 分享到:
  激光技术是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的科技四大发明之一,自1960年世界上第一台红宝石激光器问世以来,以激光器为基础的激光技术在世界范围内得到了迅速发展,广泛应用于工业领域和科学研究,从方方面面走进了人们的生活。
  
  与传统长脉冲激光及连续激光不同,超快激光作为激光器家族的年轻成员,其高峰值功率和超短脉冲持续时间引起的非线性效应,不仅能够作为物理、化学、生物、材料与信息科学等学科中的基本工具,直观地探索微观世界中粒子的超快动力学行为,而且能够解决许多常规方法难以达到的高精尖实际应用问题。
  
  与发展更为成熟的固体激光器相比,光纤激光器综合性能更为优异,兼具高可靠性、优质光束质量、高稳定性、易与光纤系统兼容的性能优势,和结构紧凑、易于维护、散热性好的生产优势,被誉为“第三代激光器”,承载着超快激光技术的未来。
  
  超快光纤激光器关键技术
  
  ◆锁模启动机制
  
  超快激光一般指脉冲宽度在皮秒和飞秒量级的脉冲激光,锁模技术作为激光器产生超短脉冲的重要技术,其理论基础是在激光共振腔中的不同模式间引入固定的相位关系,使不同模式的激光周期性的建立起相长干涉,从而产生脉冲激光。
  
  光纤激光器的锁模技术可分为主动锁模和被动锁模,其中被动锁模无需外界调制元件,仅通过腔内光纤的克尔效应或者利用材料型的可饱和吸收体,即可实现脉宽很窄的超短脉冲,其得到更广泛的应用。
  
  目前主流的锁模启动机制包括基于材料型可饱和吸收体的半导体可饱和吸收镜、碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒等,和基于克尔效应的非线性光纤环路反射镜、非线性放大环路反射镜以及非线性偏振旋转技术。
  
  ◆脉冲放大技术
  
  超快光纤激光振荡器输出功率一般仅在几毫瓦至百毫瓦量级,尽管飞秒脉宽的超短脉冲激光的峰值功率比长脉冲激光高出数个量级,在工业制造应用的驱动下,进一步提高激光峰值功率是激光技术领域的追求目标。
  
  然而随着多级放大提高脉冲峰值功率,强度依赖的非线性克尔效应会导致光束质量的破坏甚至会损伤元件,激光强度的进一步发展遭遇巨大瓶颈。
  
  
  
  啁啾脉冲放大技术的原理
  
  (图片来源:瑞典皇家理工学院)
  
  直到1985年,Gerard Mourou和Donna Strickland从微波放大技术中获得启示提出了“啁啾脉冲放大技术”(Chirped Pulse Amplification),有效地解决了这一问题,两位科学家凭借这一技术在2018年获得诺贝尔物理学奖,是超快激光发展的里程碑。
  
  啁啾脉冲放大过程就是将种子脉冲在一段很长的光纤中传播,由于其频谱包括不同的频率分量,不同的频率分量传输速度不同,因而在传输过程中脉冲宽度得到展宽,则相应的峰值功率得到了降低;然后将被展宽的脉冲进行放大,即可有效抑制非线性效应;放大之后再利用压缩器将脉冲压缩至原来的宽度。
  
  “啁啾管理”因此成为了高功率超快光纤激光的标准技术。之前还有学者提出了“预啁啾”放大技术,为飞秒脉冲放大提供了新的思路。
  
  超快光纤激光器应用优势
  
  超快光纤激光器作为新一代激光器,可以理解为超快技术与光纤激光的结合,结合了超快激光和光纤激光的双重优势。10年前,超快光纤激光器仍停留在基础科研领域,运用于科研机构的实验室中,在非线性光学、激光光谱学、精密光学测量、太赫兹等科研领域作为强有力的研究工具,起着重要作用。
  
  随着超快光纤激光制造技术的快速发展,核心器件如泵浦源、双包层光纤、光纤光栅等制造工艺的完善和成本的降低,超快光纤激光器在近年来走向市场,转化落实在产业化应用中。
  
  以稀土元素掺杂的光纤作为激光增益介质的超快光纤激光器,由于光纤表面积大、易于散热,能够做到小型化、高效率且低成本,在实际应用中优势凸显。同时,超快激光与传统长脉冲以及连续激光相比,具有独特的优势。
  
  
  
  超短脉冲激光与长脉冲激光的优势对比
  (图片来源:Amada Miyachi America Inc.)
  
  由于超快激光与材料相互作用的时间极短,将能量极快地注入很小的作用区域,瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化,在根本上避免了能量的转移、转化以及热能的存在和热扩散造成的影响,从根本上改变了激光与物质相互作用机制,在精密微加工、航空航天、消费电子、汽车制造、光伏能源等工业领域表现出色。
  
  值得一提的是,光频梳系统最早由极其庞大的钛宝石系统构成,基本无法搬移。目前由于超快光纤激光器的普及,已经在体积和成本方面取得了巨大进步,这项诺奖技术已经为更多人提供了便利。
  
  同时,超快光纤激光器在生物医疗领域的应用日益广泛,不仅可用于分子和亚细胞动力学的实时研究和外科手术,其非烧蚀损伤的特点更可用于我们熟知的近视治疗与皮肤治疗。近年来,红外光纤、半导体光纤、光子晶体光纤等新型光纤的出现,为超快光纤激光器提供了更广阔的舞台。
  
  超快光纤激光器发展方向
  
  超快光纤激光器作为诸多超快激光应用系统的核心部件,其性能是整个应用系统的首要限制因素。然而,目前超快光纤激光器在性能方面还有很多需要改善和提高的地方,因此其性能的提升仍旧是当前超快光纤激光器的研究方向之一。
  
  未来,更窄的脉冲宽度、更高的功率输出、更高的重复频率、脉冲形状以及脉冲波长范围的拓展等是研发人员关注的重点领域。只有当各个维度的性能整体稳步提升后,才能更好地满足不同领域的应用需求。
  
  提升超快光纤激光器的输出脉冲性能,离不开从物理层面上系统地对超短脉冲的形成机理和动力学特性的研究。根据激光器脉冲整形机制的不同,大致可以分为传统孤子、展宽孤子、耗散孤子和自相似子,通过数值模拟仿真和实验验证,对各种类型脉冲的形成机理和特性予以揭示,可以为设计高性能的光纤激光器提供新的视角和理论支持,具有深刻的物理学意义。
  
  近期,借助于光通信领域的蓬勃发展,多模光纤再一次受到市场青睐。随之而来的基于多模光纤的“时空锁模”光纤激光器,成为学术研究的前沿。超快光纤激光始于“光纤的非线性”,发展于“光纤的非线性”,未来更为多样化的超快光纤激光系统将有望问世。
  
  当前全球超快光纤激光器市场蓬勃发展,主要市场仍由国外超快光纤激光器厂商主导,其中不仅包括传统的激光行业巨头,如美国Coherent、IPG、IMRA,丹麦NKT Photonics,还有德 国Menlo Systems,法国Amplitude等超快光纤激光领域的后起之秀。
  
   
  (a)德国Menlo Systems飞秒光纤激光器
  (b)武汉华日精密激光飞秒光纤激光器
  
  国内在超快光纤激光器领域起步相对较晚,但在中央政府、科研机构以及企业近年来对超快光纤激光加大支持与投资力度之下,已经形成华中、珠三角、长三角、环渤海四大激光产业集中带,包括华日激光等公司大力推进超快光纤技术的产业化,提升国内超快光纤激光产业竞争力,逐步实现量产打破国外企业在这一领域的垄断。
  
  随着光纤制备成本的降低和种类开发的丰富,光纤器件的日益成熟,易于集成且具有高稳定性的超快光纤激光器的研发具有很高的现实意义。但是距离超快光纤激光器完全国产化还有一定的距离。目前虽然在基本的光纤器件领域中国的制造能力世界领先,然而包括增益光纤、饱和吸收体等核心器件还需要进一步摸索和探究。
  
  如今,我国在增益光纤制备方面还需要进一步提升实力。主流的半导体饱和吸收镜目前全球只有BATOP一家商用公司。虽然受制于国外的状况较为明显,但是国内在纳米材料饱和吸收体方面后劲十足,这也为超快光纤激光器的未来国产化指明了方向。
  
  按照目前的发展速度,相信在未来三到五年,中国制造的超快光纤激光器将会在各个领域得到更为广泛的商业应用,逐步取代钛宝石激光器,登上激光器行业的主舞台。