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企業(yè)新聞

奧創(chuàng)光子深紫外超快激光器新進(jìn)展

激光制造網(wǎng) 來(lái)源:奧創(chuàng)光子2023-03-13 我要評(píng)論(0 )   

高光子能量的大功率深紫外(DUV)短脈沖激光器應(yīng)用廣泛,如高強(qiáng)度伽馬射線(xiàn)產(chǎn)生、材料加工、半導(dǎo)體檢測(cè)等。DUV固體激光器采用固體激光和變頻技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量,便...

高光子能量的大功率深紫外(DUV)短脈沖激光器應(yīng)用廣泛,如高強(qiáng)度伽馬射線(xiàn)產(chǎn)生、材料加工、半導(dǎo)體檢測(cè)等。DUV固體激光器采用固體激光和變頻技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量,便于通過(guò)透鏡聚焦到小光斑尺寸。此外,DUV固態(tài)激光器比傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光器更容易操控,消耗的電能更少(準(zhǔn)分子激光目前用于工業(yè)應(yīng)用,如精密和高質(zhì)量激光加工)。

01、高功率DUV固態(tài)激光器發(fā)展歷程
上世紀(jì)八九十年代,隨著硼酸鹽基非線(xiàn)性光學(xué)晶體的發(fā)展,波長(zhǎng)在300 nm以下的高功率DUV固態(tài)激光器得到了發(fā)展。而后,隨著高功率近紅外激光器的發(fā)展,四次諧波光源的研制也得到了推進(jìn)。關(guān)于四次諧波的平均輸出功率,自2000年以來(lái),多橫模高功率納秒脈沖激光器作為基波的DUV平均輸出功率為12 ~ 40 W。自2009年以來(lái),單橫模高功率納秒脈沖激光器作為基波的DUV平均輸出功率為10 ~ 15W。

最近,以單橫模高功率皮秒脈沖激光器為基波的DUV平均輸出功率為12 ~ 20 W。據(jù)報(bào)道,2020年,使用由皮秒脈沖振蕩器和Yb:YAG innoslab放大器和BBO晶體組成的基波,在258 nm處得到的平均輸出功率為20 W,重復(fù)率為1 kHz。2021年,據(jù)報(bào)道,使用由皮秒脈沖振蕩器和Yb:YAG碟片放大器組成的基波,在258nm處得到的平均輸出功率為20 W。
除了高平均功率外,穩(wěn)定的長(zhǎng)期DUV輸出對(duì)工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。2002年,據(jù)報(bào)道,在20w的功率下連續(xù)產(chǎn)生DUV 100小時(shí),然而,功率退化很明顯,20w的功率僅維持了50小時(shí)。其他研究也顯示了類(lèi)似的功率退化,實(shí)現(xiàn)高功率DUV固體激光器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行仍然是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

02、如何滿(mǎn)足DUV激光的穩(wěn)定運(yùn)行
為了解決這一問(wèn)題,必須解決產(chǎn)生DUV光的非線(xiàn)性光學(xué)晶體的激光誘導(dǎo)損傷(LID),以滿(mǎn)足DUV激光的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。在BBO的DUV光產(chǎn)生中,相位匹配條件(光譜、角度和溫度)的三種接受帶寬都很窄,常規(guī)脈沖激光器無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足所有條件,因此,高效變頻,長(zhǎng)期運(yùn)行中的功率退化問(wèn)題是不可避免的。
2013年相關(guān)DUV報(bào)道,使用增益開(kāi)關(guān)LD和線(xiàn)寬0.1 nm、峰值功率2.1 MW的混合放大器的基波輸出。高峰值功率皮秒脈沖與大口徑長(zhǎng)BBO晶體的組合滿(mǎn)足了DUV生成的光譜和角度接受帶寬,同時(shí)避免了時(shí)間和空間走離引起的轉(zhuǎn)換效率波動(dòng)。從532 nm到266 nm的轉(zhuǎn)換效率超過(guò)50%。BBO晶體特性很好地解決了由線(xiàn)性吸收和雙光子吸收引起的溫升,并通過(guò)滿(mǎn)足熱接受帶寬保持較高的轉(zhuǎn)換效率。此外,光束發(fā)散低于BBO的角接受帶寬,這種基礎(chǔ)激光源使DUV激光器具有高功率和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

03、奧創(chuàng)光子的研究進(jìn)展
此前奧創(chuàng)光子曾開(kāi)發(fā)了一款脈沖為10 ps,平均功率為50 W,線(xiàn)寬為0.5 nm,峰值功率為25 MW,重復(fù)頻率為200 KHz的基波激光器。DUV的平均功率為14 W,脈沖持續(xù)時(shí)間為7ps,使用BBO晶體,在200 KHz的重復(fù)頻率下,從532 nm到266nm轉(zhuǎn)換效率為50%。此外,在平均功率為10 W的情況下持續(xù)5000小時(shí),在266 nm處的長(zhǎng)期DUV運(yùn)轉(zhuǎn),在運(yùn)行期間沒(méi)有功率或光束輪廓退化。
獲得的最大DUV功率受到可用基波功率的限制,工業(yè)應(yīng)用需要更高功率的DUV激光器,通過(guò)將基波功率提高到平均140 W,線(xiàn)寬0.4 nm,峰值功率23.3 MW,使用BBO晶體,在1000 kHz重復(fù)頻率下,DUV的最大平均功率可以達(dá)到28 W,從532 nm產(chǎn)生266 nm的轉(zhuǎn)換效率約為30%左右,實(shí)現(xiàn)平均功率為20w和光束質(zhì)量因子(M2)小于1.3下預(yù)計(jì)可以保持10000小時(shí)。
圖1顯示了激光源的設(shè)置,該激光源由種子激光部分和功率放大器部分組成。種子激光器由種子源、PULSEPICKER和兩級(jí)光纖前置放大器組成,功率放大器由四級(jí)固體放大器和聲光調(diào)制器(AOM)組成。

圖1
種子激光部分采用被動(dòng)鎖模光纖激光種子源,結(jié)合鎖模器件的特性和設(shè)計(jì)優(yōu)化,保證匹配固體放大所需的基頻信號(hào)光特性。
固體放大器用于功率放大級(jí)的放大器有1到4級(jí)。放大晶體為釹摻雜釩酸釔(Nd:YVO4)晶體。為了防止寄生振蕩,增加了1°的楔形角,并將AR涂層在1064 nm處的反射率設(shè)置為小于0.1%。Nd:YVO4晶體的四面被銦箔包裹,并固定到水冷散熱器上。使用波長(zhǎng)為880 nm的鎖波長(zhǎng)LD作為泵浦源,該泵浦源是帶內(nèi)泵浦源,在晶體中熱效應(yīng)較小。泵浦源通過(guò)400 μ m芯徑漸變折射率光纖傳輸,并通過(guò)準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡模塊入射到Nd:YVO4晶體中。

表1:顯示了泵浦功率、放大功率和放大器各級(jí)的增益

圖2:功率放大器的平均功率特性
奧創(chuàng)光子分別使用光譜分析儀的光纖測(cè)量了種子激光部分的光譜,使用自由空間波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量了功率放大器的光譜。結(jié)果如圖3所示。

圖3
為了由1064nm 產(chǎn)生266 nm的DUV光,使用兩個(gè)非線(xiàn)性光學(xué)晶體來(lái)產(chǎn)生二次和四次諧波。對(duì)于二次諧波(SHG),采用元件尺寸為4 mm × 4mm, 臨界相位匹配(LBO)晶體和兩端分別為1064 nm和532 nm的AR涂層作為非線(xiàn)性光學(xué)晶體。LBO晶體放置在帶有內(nèi)置加熱器的銅支架中,支架溫度設(shè)置為60°C。直徑為φ2 mm的1064 nm入射波束產(chǎn)生532 nm波束。
四次諧波采用BBO晶體作為非線(xiàn)性光學(xué)晶體,該晶體尺寸為4 mm × 4 mm,臨界相位匹配。僅在輸入端涂上AR532&266-nm涂層,并在兩端涂上1.5°楔形。為避免激光回射,輸出端涂AR@266nm&532nm涂層。晶體被放置在一個(gè)干燥室中,以防止BBO晶體的潮解。
平均功率為125 W光束直徑為φ2.0 mm的1064 nm激光射入的LBO晶體,在532 nm處的平均功率為88.9 W,轉(zhuǎn)換效率為71.9%。測(cè)量線(xiàn)寬和脈沖持續(xù)時(shí)間,分別為0.042 nm和11 ps,峰值功率為13.6 MW,光束質(zhì)量因子M2 = 1.2。平均功率為87.9 W直徑為φ1.6mm的532 nm激光射BBO晶體,在266 nm處的平均功率為25.4 W,轉(zhuǎn)換效率為28.9%。

光束質(zhì)量因子M2 = 1.5。光束直徑和圓度分別為φ2.2mm和95%,由于光線(xiàn)的高度準(zhǔn)直,在266nm生成后,無(wú)需任何光束整形光學(xué)即可獲得滿(mǎn)意的光束特性。注意:光束直徑是用光束輪廓儀(Ophir)在距離出光口1000mm處測(cè)量。DUV的短時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試曲線(xiàn)如圖4所示: 

圖4:DUV的短時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試曲線(xiàn)

奧創(chuàng)光子自2018年創(chuàng)立以來(lái),公司已申請(qǐng)60余項(xiàng)專(zhuān)利,已掌握了高能高功率飛秒脈沖放大技術(shù)、啁啾體布拉格光柵色散補(bǔ)償技術(shù)、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵核心技術(shù),結(jié)合自主設(shè)計(jì)制造的超快種子源、溫度調(diào)諧式啁啾光   纖光柵等核心器件已成功推出系列化飛秒激光器產(chǎn)品,并在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域批量出貨,打破了該領(lǐng)域被國(guó)外產(chǎn)品長(zhǎng)期壟斷的局面。

目前奧創(chuàng)光子不斷迎合當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)于航天航空,新能源鋰電,電子消費(fèi)等高端精密行業(yè)的發(fā)展節(jié)奏壯大自身,不斷為先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)夯實(shí)基礎(chǔ),促進(jìn)發(fā)展。

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