华快光子推出GHz级超高重复频率的NALM型全光纤飞秒种子源
发布时间：2021-05-07 来源：华快光子
随着现代工业和科学技术的发展，产品和零件加工逐渐趋向微型化、精密化，超短脉冲激光作为精细微加工的前沿技术之一，其峰值功率极高，与物质相互作用的机理跟其它种类激光器有根本区别，属于激光“冷加工”，已在精密电子行业得到应用并不断创新发展。
“新型显示产业”作为我国政府支持的新兴战略产业之一，近年来在政府的积极扶持下取得了长足的进步。尤其是伴随智能手机、平板电脑、可穿戴设备等消费电子产品的快速发展，柔性电路板（FPC）凭借重量轻、厚度薄、弯折性好等特点，成为智能手机等消费电子产品不可或缺的元器件，正得到越来越广泛的应用，本土FPC产业也逐渐进入爆发期。蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料是地球上仅次于钻石第二坚硬的材料，很难使用机械的方法来加工。使用激光器来切割此类硬脆材料是当今制造业的趋势加工方法。
目前飞秒光纤激光器因其单脉冲能量的限制，相比皮秒及纳秒激光器加工速率慢了很多，因此飞秒激光加工也被戏称为”超慢加工”。目前受限于光纤的非线性效应，单脉冲能量提升相对比较困难，纯光纤放大很难突破200uJ。大量研究表明，在材料加工中提高飞秒脉冲的重复频率及使用Burst脉冲串模式，可大幅提高材料蒸发及去除的速率。因此发展GHz级高重复频率飞秒种子源具有非常重要的意义。当前市面上仅有的几款高重复频率飞秒激光器基本都是采用腔外重频倍增的方式使得重频达到或接近GHz，这些方法会带来脉冲间的时间间隔不均一、脉冲能量不一致以及色散有差异等缺点，不仅给后续放大带来非常大的不便，而且会极大的影响实际加工效果。
非线性放大环形镜（NALM）型锁模技术因其锁模状态唯一、全保偏光纤、不受材料阈值限制等特点能够获得稳定的、高功率锁模脉冲而受到广泛研究和关注；然而长期以来，该技术在锁模自启动上存在较大问题，后经国内外众多科研人员的深入研究，目前自启动稳定性也有大幅改进，追求NALM技术的高锁模自启动稳定性、宽光谱、高重频及高输出功率是研究的主要方向。目前看来NALM技术是最有希望获得工业级高稳定、高性能飞秒激光种子源的方法。
图1
华快光子近年来一直致力于高稳定飞秒光纤激光器的研发生产，在飞秒光纤种子源、飞秒展宽、放大、压缩等方面拥有多项发明专利，已成功研发并推出了重复频率30-200 MHz的飞秒种子源系列产品。近期在高重复频率飞秒种子源研发及工程化方面又取得了突破性进展，已成功实现重复频率接近1GHz的全光纤化飞秒种子源（如图1所示）。
图2：输出脉冲、光谱及自相关
该系列高重频飞秒种子源产品采用带偏置的改进型NALM方案，由相移器、光纤环路及波分复用器等元件构成，环内有高掺杂的掺镱光纤作为光纤激光器腔内的增益介质，泵浦光通过波分复用器泵浦掺镱光纤。为保证在环境温湿度变化时保持稳定的功率和稳定的光偏振状态，采用锁模全保偏光纤，实现锁模稳定自启动的同时，保证锁模脉冲的长期稳定一致性。据所需的脉冲重复频率，得到合适的腔长，通过集成光纤元件将腔长极限压缩同时设计增益光纤和普通光纤的最佳长度，达到超高重复频率的基频飞秒锁模脉冲输出。通过对谐振腔的色散进行管理，调控腔内相位差和光纤长度，实现脉冲重复频率和带宽的优化，获得飞秒脉冲输出，极限变化脉宽小于100 fs。锁模脉冲的光谱宽度决定了最终能够压缩得到的飞秒脉冲的脉冲时间宽度，而重复频率的高低则影响着工业加工的速度和效率。
本产品通过引入相位偏置对原有的NALM锁模技术进行改进，在腔内引入色散补偿，保证锁模自启动稳定性的同时极大的提高了锁模脉冲的光谱宽度，同时利用自主研发的新型集成封装的光纤器件极大的缩短了谐振腔的腔长，获得了极高的锁模脉冲重复频率（500 MHz-1 GHz），输出功率90 mW-200 mW，光谱宽度大于15 nm，极限变换脉宽小于100 fs，满足后期飞秒啁啾脉冲激光放大的输入需求。图2为我们实现的重频600 MHz的飞秒种子源，具体参数为：输出平均功率110 mW，光谱宽度18 nm，脉冲宽度239 fs（啁啾脉冲），可进一步压缩至约70 fs。
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