Лазерный мир

Р.Дионн, М.Морин // Фотоника, 1/2016, с: 112-118

Процесс высокоскоростной индустриальной прецизионной обработки материалов требует использования сверхкоротких лазерных импульсов длительностью в единицы пикосекунд и даже в десятки и сотни фемтосекунд. Достижению этих целей помогает использование дифракционных волоконных брэгговских решеток (ВБР) с линейно изменяющимся периодом для растяжения импульсов. Однако здесь необходимо правильно выбрать соответствующую схему растяжения импульса.

Относительно высокая энергия фемтосекундных импульсов генерируется обычно по схеме, основанной на усилении низкомощного сверхбыстрого генератора коротких импульсов с энергией на уровне наноджоулей и высокой частотой повторения импульсов. Получение импульсов достаточно большой энергии (десятки микроджоулей) с высокой частотой следования (сотни килогерц) и максимально короткой (менее 200 фемтосекунд) длительностью импульса достигается в лазерных системах с усилением чирпированных импульсов (так называемых CPA-системах, реализующих метод усиления чирпированных импульсов, CPA – chirped pulse amplification). Импульсы низкой энергии усиливаются с помощью объемного или волоконного усилителя до сотен миллиджоулей энергии на один импульс.

Но для того чтобы избежать оптического повреждения усилителя и возникновения нелинейных эффектов, которые искажают импульс и снижают его пиковую мощность, требуется усилить импульс с линейной частотной модуляцией. Эта технология заключается в предварительном значительном растяжении импульса перед усилением и последующем его повторном сжатии. При этом необходимо избегать возникновения неблагоприятных высоких пиковых мощностей на стадии усиления. Изменение длительности импульса на выходе лазерных систем с усилением чирпированных импульсов по сравнению с длительностью задающего генератора определяется искажением спектра в основных элементах лазера – стретчере, усилителе и компрессоре. Рассматриваемая технология расширения и сжатия импульсов была реализована несколько лет назад в отношении линзово-зеркальной оптики. В настоящее время лазерная отрасль все больше опирается на волоконные компоненты для совершенствования устойчивости системы, снижения затрат и получения готового решения. Большинство коммерческих сверхбыстрых лазеров создано при сочетании объемных и волоконных компонентов. При этом объемные компоненты все еще требуются на стадии сжатия и иногда на стадии усиления в зависимости от используемой пиковой мощности.

Требования к расширителям импульсов

Для практических индустриальных применений наиболее важным свойством сверхкоротких лазерных импульсов является их хорошая локализация и краткость энергетического воздействия, проникающего в глубину обрабатываемого материала. Абляция материала наступает еще до того момента, пока тепловая энергия распространится по материалу вокруг лазерного пятна. Таким образом, минимизация неблагоприятного теплового воздействия открывает широкие возможности для пространственно точной обработки материалов. В связи с этим лазер должен производить сверхкороткие, мощные и чистые импульсы, без боковых или опорных импульсов с низким уровнем интенсивности. Для достижения этой цели огромное значение имеют управление дисперсией и оптимизация полосы пропускания.

Достижимое качество сжатия импульсов ограничено общей шириной спектра лазерной системы. Цепочка CPA должна обеспечивать достаточную полосу пропускания, чтобы не ухудшать качество импульса. Спектральное ограничение, вносимое с помощью расширителя или компрессора, в результате приводит к формированию более длинных импульсов с более сильными боковыми лепестками. Четкая полоса пропускания, которая примерно составляет двух-трехкратную ширину спектра полной ширины на полувысоте максимума импульса, должна предоставляться системой СРА.

Такая уникальная гибкость позволяет создавать решетки CFBG для компенсации дисперсии любого компрессора и прочих оптических компонентов в рамках лазерной системы.

Конструкция расширителя импульсов CFBG предусматривает высокую степень гибкости в отношении спектральной чувствительности целевого группового времени задержки. Расширитель импульсов может быть описан как устройство, которое компенсирует дисперсию компрессора импульсов, а также дисперсию других оптических компонентов в рамках сверхбыстрой лазерной системы, таких как оптоволоконные каналы. В случае необходимости нелинейные эффекты также могут быть учтены.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/5/article_5104_379.pdf