第6章-超快超强激光加工

设计：李波第6章超快激光加工技术2013年秋·机电工程学院温州大学研究生课程激光先进制造技术设计：李波§5:超快激光与物质相互作用及应用1、杨齐民钟丽云吕晓旭编著,《激光原理与激光器件》,20032、相关文献设计：李波飞秒激光峰值功率极高：1015W脉冲短：10－15s人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段聚焦光斑小：m量级比全世界发电总功率还大聚焦功率密度大：1020～1022W/cm2电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍精确的靶向聚焦设计：李波物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体;用飞秒激光进行加工，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会对基材造成损伤。飞秒激光设计：李波飞秒激光飞秒激光已成为科学探索的最有力的工具飞秒激光微加工技术将在超高速光通讯、强场科学、纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在的市场前景。科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。设计：李波内容提要超快激光技术超快激光与物质相互作用基础飞秒激光应用举例设计：李波超快激光技术设计：李波脉冲激光技术调Q先关闭Q开关，使得激光器不能起振，使得粒子数反转浓度迅速增大电光调Q：脉宽达到数ns数十ns；声光调Q：脉宽达到数百ns在激光腔内增加一个Q开关；打开Q开关，腔呈低损态，高Q值；关闭Q开关,腔呈高损态，低Q值；当打开Q开关时，粒子数反转浓度远大于高Q态的阈值粒子数反转浓度，激光器开始起振设计：李波脉冲激光技术锁模腔内存在单纵模和各种模式的组合锁模就是将需要的那种组合模式选出来让它振荡，即增益相同时，让它的损耗最小设计：李波锁模激光器原理－腔内波函数空间分布在三维自由空间中，波的运动方程式为：在矩形开放式的驻波腔内，只考虑波函数空间分布：)(.),,(),,,(tEzyxEtzyxE)().,(),,(zEyxEzyxE矩形截面光学谐振腔设计：李波是垂直于Z轴（x,y平面）的光强分布22xna锁模激光器原理－－横模驻波条件：22ymy方向的投影波长在yxyx,:,得：ankx21bmky21方向分量在波矢yxkkkyx,:,),),yxkkmn对应一对（每一个（分离值),(yxE设计：李波锁模激光器原理－－横模由于腔边沿存在严重衍射损耗，所以不能用正弦函数描述，而用高斯函数描述几种低阶横模的光强分布和光斑图TEMnm设计：李波锁模激光器原理－－纵模纵模：是光场沿Z方向的分布)(zE).sin()(0ZkAzEz驻波波长与腔长l应满足如下关系z2zql则波矢zklqkz3,2,1＝q给定一个q，对应一个kz，分离的对于开放式谐振腔有：mnqbal,;,故有：;z纵波波长即为光波波长，纵波频率即为光波频率设计：李波锁模激光器原理－－纵模设有一个激光器，其中有n个纵模在振荡，其中第n个纵模的电矢量为：都是腔内允许存在的模式)]()[(0)()(ttninnnetAtE处的圆频率：中心频率电振幅矢量；00:fAnlcqlcqf2.2200腔内驻波条件lcqf2设计：李波锁模激光器原理－－纵模多模场的电矢量E(t)是所有单模场电矢量的总和：相邻两个纵模的圆频率间隔lc2/)1(2/)1()]()[(0)()(nnttninnetAtE这些和是各种各样的，取决于它们之间的相位，所有这些形式的组合实际就是各个纵模的不同形式的拍频，它们同样是腔内允许存在的模式。设计：李波腔内允许存在的纵模虽然有无数多个，但必须落在增益线宽内的纵模，才有可能获得增益；图腔内可能振荡的最大纵模数只有增益足够大，满足阈值条件，才能够在腔内振荡；增益线宽越宽，可能振荡的模式数就越多；最大模式数不会超过：fvMrq间隔：两个相邻纵模的频率增益线宽；fvr:锁模激光器原理－－纵模设计：李波锁模激光器原理－－纵模组合研究一种简单组合，假设所有纵模的相位都相等且为零，即使这样的求和也是很麻烦的。首先研究三个纵模。ttAtE000cos)()(ttAtE)cos()()(011ttAtE)2cos()()(022求和，即拍频效应：2000、、上述三个周期电场可分别用三个旋转矢量来表示，设它们的长度都相同为A，而旋转角速度分别为：210AAA、、设计：李波锁模激光器原理－－纵模组合;:0不动A以一角速度的动坐标来研究此问题0顺时针旋转；以角速度:1A旋转；以角速度2:2A当时：0tAtE3)(拍的峰值当时：3Tt0)(tE当时：2TtAtE)(周期1:22AclT设计：李波锁模激光器原理－－纵模组合当时：32Tt0)(tE当时：TtAtE3)(当时：34Tt0)(tE三模锁相的拍频随时间变化三模锁相的旋转矢量模型设计：李波锁模激光器原理－－纵模组合n个,每个巨脉冲的峰值为nA，空间间隔为2l,记为En(t)分为两组求和,每个巨脉冲的峰值为nA/2，空间间隔为l，En/2(t)分为四组求和,每个巨脉冲的峰值为nA/4，空间间隔为l/2,En/4(t)设计：李波锁模激光器原理－－纵模组合一直分下去，单个纵模。这些都是允许存在的模式腔长随机变化，相位也随机，所以上述拍频模式都存在，因此腔内真实存在的模式：图各种拍频随机出现时的腔内模式无论其振幅和相位都在随机变动设计：李波锁模激光器原理－－简单原理让腔内只有一种拍频模式存在，特别是只让En(t)振荡，而其余拍频不能振荡－－锁模技术拍频En(t)是一个周期为T的巨脉冲系列，比起调Q技术获得的巨脉冲，它的脉宽更窄，峰值功率更高设计：李波锁模激光器原理－－简单原理图周期性损耗的调制开关在腔内装上一个周期性的损耗调制器：clT2每隔T，开关打开一非常短的时间，使损耗减少到最小，刚好能够让巨脉冲En(t)通过，促后又回到高损状态。En(t)模式能够起振，而其他模式En/2(t)En/4(t)因损耗过大无法起振。设计：李波锁模激光器原理－－脉冲基本参量锁相脉冲峰值：锁相脉冲时间宽度－－锁相脉冲可能的最短脉宽22max)(nAtEPn223max3)(AtEPclTtl2.3133三相clnnTtl2.1n相增益线宽越宽，可参与振荡谱线越多，脉宽越窄设计：李波锁模激光器原理－－脉冲基本参量n个纵模振荡的激光器，在未锁相的情况下:AntAtEn)()(22)()(nAtEtP平均功率:锁模峰值功率:)()(2maxtPnnAtP锁模巨脉冲的峰值功率为没有锁模时平均功率的n倍设计：李波主动锁模周期性调制谐振腔损耗振幅调制，相位调制被动锁模可饱和吸收体同步泵浦锁模周期性调制谐振腔的增益自锁模(Ti-Slaser)利用增益介质本身的非线性克尔效应锁模，不需插入任何锁模元件锁模激光器原理－－锁模方式几百fs，如果需要更短脉冲，则脉冲压缩设计：李波•锁模技术本质是在激光腔内利用恢复时间十分快的高速快门，这种快门可由电信号驱动（声光调制器）或依靠材料特性，例如，可饱和吸收染料或激光器本身的非线性特性自动形成。在钕玻璃或Nd:YAG激光器中，常用快恢复时间的可饱和吸收体如五甲川，十一甲川等染料作高速快门。这种染料吸收激光使激光器的阈值提高，但当它吸收了足够的光子达到饱和就不再吸收激光，因而对激光呈透明状态，激光腔的损耗因而急剧减少，此时激光产生振荡。由于其恢复时间极短，它很快又恢复到吸收状态，阻碍激光发射。周而复始.锁模激光器原理－－锁模方式实现设计：李波锁模激光器原理－－克尔效应克尔透镜锁模技术Pnnn20：光强：折射率的非线性系数关；材料折射率，与光强无P:20nn当光强很强时，这种折射率的变化所引起的光的相位延迟不再可以忽略。光的折射率与光强有关：对于50m，2.5MW，800nm的激光，传播1cm可产生的非线性相移，这等效于一个透镜造成的光束自聚焦—高损耗效果相当于快速可饱和吸收体设计：李波Ti:Sapphire晶体吸收和发射光谱发射谱：600—1150nmnG(增益带宽)越宽——可以锁定更多的模式(n越大)——t就越短如何获得超短脉冲宽度（fs量级）的激光脉冲？最短脉冲宽度t=3fs（理论上）t5fs(4.5fs)(实验上）2003年钛宝石作为增益介质开始在超短脉冲的产生中发挥了重大作用，为飞秒激光器的固体化，实用化奠定了基础！设计：李波将脉冲进行相位非线性调制，使它变成啁啾脉冲（变调脉冲），其频率先高后低（蓝头红尾）；脉冲压缩技术随着激光啁啾放大技术的快速发展，激光脉冲的峰值功率也在不断地提高！将啁啾脉冲导入光栅对中，由于色散它分解为不同频率的光脉冲输出后，在经反射镜反射回来，由于长波脉冲走的路程长，短波脉冲走的路程短，故它们几乎同时返回到原处，合成为更短的脉冲－－脉冲压缩利用脉冲压缩技术理论上可以获得3fs非线性调制：电光调制，最简单的时非线形材料的二阶非线性折射率，如玻璃光纤设计：李波Ti:Sapphire飞秒激光1991年60fs,845-950nm,300mW(6WAr+泵浦）D,E.Spenceetal,Opt.Lett.16,P.421997年20fs光纤压缩4.5fs20J1KHzM.Nisolietal,Opt.Lett.22,P.52213fs光纤压缩5fs6J1MHzA.Baltuskaetal,Opt.Lett.22,P.1021999年腔内产生4.3fs(Sech),4.8fs(Gaussian),2T(2.7fs),200mW,90MHz,650-1050nmU.Morgneretal,Opt.Lett.24,P.4112003年3.4fsOpticsLetters,2003,28(22):2258~2260设计：李波飞秒激光器的结构振荡器展宽器放大器压缩器设计：李波飞秒短脉冲的放大——CPA一些物理学实验研究和应用，如强场物理、激光受控核聚变、半导体载流子的动力学过程等研究要求激光脉冲具有极高的峰值功率，这是普通飞秒振荡级激光器输出的脉冲所不能达到的，所以需要对振荡级输出的飞秒脉冲进行放大！问题的提出困难直接放大飞秒激光脉冲脉冲的峰值功率高于激光晶体的损伤阈值而破坏激光晶体！设计：李波stretcherAmplifierCompressor反射镜光栅光栅展宽后的脉冲至放大红光蓝光反射镜光栅光栅由放大级来的啁啾脉冲蓝光红光压缩脉冲CPA:ChirpedPulseAmplifier工作原理tt解决办法激光功率增强百万倍以上!!飞秒短脉冲的放大——CPA设计：李波Ti:Sapphire晶体优势：除了具有宽的增益带宽(230nm)外,其饱和通量为0.9J/cm2，热导率在300K时为46W/mK，损伤阈值大于5J/cm2以及具有比较大的增益截面（～3×10-19cm2）等。这些性质使其成为超短脉冲激光器理想的增益介质。比起染料激光器，以钛宝石为增益介质的激光器具有较宽的调谐范围，相当于4～5种染料组合所覆盖的波段。此外固体介质的激光器还有结构简单，光束质量高，运行可靠，可重复性好等优点。飞秒短脉冲激光器设计：李波同步泵浦多波长飞秒激光器同步泵浦多波长飞秒激光器能够精确同步产生两列或三列不同波长的飞秒光脉冲，其光脉冲的波长可在一定范围内连续调谐。多路光束可以同时在一个激光谐振腔内产生，也可以同时在几个谐振腔内产生。但是，不论是单腔还是复腔，都采用同一块激光晶体，利用了交叉锁模原理。交叉锁模就是在谐振腔内，多路光束都交叉通过同一激光晶体，当经过强自聚焦效应、自相位调制和群速弥散补偿出现增益孔效应时，腔内净增益大于腔内各种损耗之和，就发生交叉锁模。在交叉锁模情况下，多路腔长均相等。所以，产生的飞秒光脉冲序列都是精确同步的。目前同步精度小于1fs设计：李波多