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结构光纤提升短脉冲激光器的性能
材料来源:激光世界           录入时间:2010-10-11 16:47:25

手征性耦合芯径光纤能够缩放单模光纤的芯径尺寸──对于高精度材料加工应用中所需要的高峰值功率激光器的运行是必不可少的。

Phill Amaya

越来越多的高精度材料加工应用需要使用短脉冲激光器。这些应用包括印刷电路板和柔性电路板上的微盲孔钻孔、半导体存储器修复、太阳能电池边缘隔离和薄膜图形化,以及LED制造中的蓝宝石基板划线。[1]所有这些应用的典型特征都是小型化日益加剧,和/或在降低制造成本方面面临持续不断的压力。

小型化和缩减特征尺寸是采用短脉冲激光的主要原因。为了减小工件上的热影响区和随之而来的对附近元件的潜在损害,通常需要小于80ns的脉宽。微米级特征也偏向于更短的波长,因为短波长可以实现更小的聚焦光斑尺寸。材料的吸收特征也是确定激光波长时需要考虑的一个关键因素。

此外,随着特征尺寸的缩小,在单个设备中或单位面积内会出现更多的特征,因此必须增加激光脉冲重复率,否则设备的制造周期将会延长。由于特征是制造于基底之上的,当基底的尺寸同时增长时,上述要求就变得更加迫切。例如,在过去10年中,半导体内存芯片的最小特征尺寸从150μm下降到了60μm。与此同时,硅晶圆的尺寸从200mm增加到了300mm。因此,可以印刷在单个晶圆上的特征数量已经跃升了14倍。在这个例子中,特征尺寸的减小也推动了加工过程采用紫外波长以形成更小的光斑尺寸。这些进展推动激光器开发人员将基频波长为1.0μm左右的平均输出功率提高了10倍,并且将应用波长移至355nm。在其他微电子应用中,这种趋势同样十分明显。表面积的增加和加工时间的减少,推动了太阳能电池加工技术的进一步发展。

目前,大多数纳秒脉冲应用都是通过二极管泵浦固体(DPSS)激光器来实现的。DPSS激光器的性能反映了超过20年的不断创新,这是其他激光技术很难匹敌的。然而,有迹象显示,一些应用需求的发展可能会超过DPSS激光器的实际能力。更小的光斑尺寸要求和材料问题正将脉宽推入皮秒区域,但即使脉冲重复频率增加,也必须保持所需的单个脉冲能量。创造性的解决方案正在出现,如“双光束”技术,这一技术通过复用两个脉冲光源输出的激光来达到两倍的脉冲重复率。另一种“混合”方法是利用一个低功率、高脉冲重复率的光纤激光器,通过分离脉冲生成与功率放大这两项功能来为DPSS放大器提供光源。虽然使用了这些解决方案,但的确增加了成本和复杂性,在其向更高的输出发展时将有所受限。

光纤激光器

在所有的解决方案中,光纤激光器是理想的能够满足当前和发展中的短脉冲应用要求的下一代光源。表1中列出了主要目标规格。光纤激光器具有高单程增益,简化了放大器的设计,并可直接提高平均功率,这使其对于短脉冲应用来说很有吸引力。在这些应用中,需要高峰值功率运行以达到所需的脉冲能量和脉宽,而要实现高峰值功率运行需要增大光纤芯径尺寸,这是其难点所在。如果不增大芯径尺寸,非线性光学效应将会引起光谱展宽和输出功率的不稳定。目前采用20μm芯径的双包层光纤(DCF)的商用光纤激光器,可在10ns脉冲内提供最高25kW的峰值功率,在100kHz的工作频率下产生25W的平均功率。这只是表1中目标平均功率的四分之一,也是目前DPSS激光器所能达到的平均功率的一半。在一个有望进一步提高功率的解决方案中,包括一种名为手征性耦合芯径或3C光纤的独特结构的光纤。[2]

1:光纤激光器的目标指标

这种3C光纤的芯径比传统的双包层、大模场面积光纤大得多,并且能够实现单模输出。手征性耦合芯径光纤由中心的导引纤芯和至少一根螺旋型围绕在中心纤芯周围的卫星纤芯组成(见图1)。这种结构设计可以有选择的将中心纤芯中的高阶光学模耦合到卫星纤芯(Satellite Core)中,同时只有LP01模在中心纤芯中传输。合适的卫星纤芯参数和螺旋周期导致被耦合进入卫星纤芯的光模式被散射到包层中,因而损耗很高。这种概念可以应用到非常大芯径的光纤的设计中(见图2)。

 

图1:手征性耦合芯径光纤使用1根中心导引纤芯,以及至少1根螺旋型围绕在中心纤芯周围的卫星纤芯。插图所示的是光纤端面。

图2:计算得到芯径为35μm、螺旋周期为9mm的特定3C光纤的模式损耗。其中,LP01基模的损耗小于0.2dB/m,而高阶模的损耗大于100dB/m。[2]

3C光纤可直接制备,制备过程与标准的DCF有两个基本区别。标准DCF是由玻璃预制棒拉制出来的,具有适当掺杂的中心纤芯。预制棒和纤芯的尺寸预先按比例搭配好,这样在光纤拉丝塔上加热和拉制时就会缩小到所需要的光纤尺寸。3C光纤的预制棒包括两根掺杂纤芯。一根纤芯在预制棒的中心轴上,另一根卫星纤芯略微偏离中心轴。接下来,当光纤拉伸时同时旋转。这种旋转使得偏离中心轴的卫星纤芯螺旋型围绕在中心纤芯周围,产生了所需的螺旋(见图3)。

 

图3:当3C光纤拉制时同时旋转预制棒,使离轴的卫星纤芯螺旋型围绕在中心纤芯周围,产生了所需的螺旋。

3C光纤的一个重要属性是其性能不依赖于特定的弯曲度,这与标准大模场面积光纤正好相反。大模场面积光纤通过仔细卷绕,从而利用弯曲引起的基模和高阶模之间的损耗不同来获得单模性能,这种方法对芯径小于25μm的光纤有效。芯径尺寸越大,这种方法越没有效果。[3]这种技术对于光束传输和光纤元件中的使用来说也是有问题的。由于模式辨别并不依赖于光纤的弯曲度,因此3C光纤可以以笔直或弯曲的形态应用于有源或无源光纤结构中。

芯径为35μm、掺镱和未掺镱(Yb3+)芯层的两种手征性耦合芯径光纤,可作为增益光纤并应用于无源光纤元件结构中。针对光纤在MOPA(主控振荡器功率放大器)结构内性能的实验室测试结果表明,其产生的平均功率超过100W,脉宽为10ns,在100kHz脉冲重复频率下的峰值功率达到了100kW(见图4)。[4]

图4:测量得到3C光纤的斜率效率(70%)和光束质量。光纤输出的M2因子达到了1.07。

短脉冲激光器的绝大多数应用都需要可见光和紫外光,认识到这点非常重要,因此合适的光纤激光器光源必须具有稳定的偏振输出。光纤输出的偏振光通常是由定向型材料应力所导致的强烈双折射产生的。通过光纤中的应力棒可以实现偏振输出,并且适用于光纤芯径小于10μm的情况。当光纤芯径增加时,要在光纤芯层的更大截面内产生均匀的应力变得更加困难,这意味着很难获得高的偏振对比度。由此产生的偏振性能对热扰动和机械扰动非常敏感,这两种扰动会造成输出不稳定。

相比之下,3C光纤的设计利用生产过程和光纤结构来获得低双折射光纤。这些低双折射的光纤可以非常稳定地保持输入光的偏振态(见图5)。

图5:将线偏振光入射到4米长的环形3C光纤中,并将光纤从20℃加热到70℃,同时对输出光的偏振态进行监测。结果表明偏振轴没有旋转,且偏振消光比保持在20dB以上。在显著的机械扰动和热扰动下,其保偏性能依旧非常出众。

对缩小元件尺寸和降低制造成本的不懈追求,将继续推动对更高性能的短脉冲激光器的需求。作为最新的创新之一,3C光纤具有更高的性能,可以满足人们对于小型化和低成本的需求。更大芯径的单模光纤所具有的性能潜力有望使其不仅仅可应用于材料加工。已经开展的使用3C光纤的三个热点科研应用是:定向能武器、激光等离子体极紫外光刻和超快光谱。

在定向能应用中,需要更大的光纤芯径以获得所需的连续波功率,同时保持单一偏振态的窄光谱线宽。光纤激光器具有高电光效率、小尺寸,可以实现更加可靠的产品组装,是定向能应用的理想选择。极紫外光刻正向依赖于大型CO2、脉冲激光光源的大批量半导体生产迈进。基于大芯径单模光纤的研究表明,通过在光谱上叠加高功率脉冲光纤激光器光源,可能建成更高效、更紧凑并且可升级的激光器光源。[5]最后,大芯径单模光纤是为实际应用的超快光谱系统提供小型、耐用光源的一个关键因素。

参考文献:

  1. S. Geiger, "Tailoring the performance of q-switched, solid state lasers – why and how," Solid State Lasers XV: Technology and Devices, Proc. SPIE, Vol. 6100, pp. 458–466 (2006).
  2. A. Galvanauskas, M.C. Swan, C.H. Liu, "Effectively-Single-Mode Large
    Core Passive and Active Fibers with Chirally-Coupled-Core structures," CLEO/QELS Conf. and Photon. Appl. Sys. Technol., OSA Technical Digest (CD), Optical Society of America, paper CMB1 (2008).
  3. M. Li, X. Chen, A. Liu, S. Gray, J. Wang, D. Walton, L. Zenteno, "Effective Area Limit for Large Mode Area Laser Fibers," OFC/NFOEC, OSA Technical Digest (CD), Optical Society of America, paper OTuJ2 (2008).
  4. C. Liu, S. Huang, C. Zhu, A. Galvanauskas, "High Energy and High Power Pulsed Chirally-Coupled Core Fiber Laser System," in Advanced Solid-State Photonics, OSA Technical Digest Series (CD), Optical Society of America, paper MD2 (2009).
  5. K.-C. Hou, S. George, A.G. Mordovanakis, K. Takenoshita, J. Nees, B. Lafontaine, M. Richardson, and A. Galvanauskas, "High power fiber laser driver for efficient EUV lithography source with tin-doped water droplet targets," Opt. Exp. 16, pp. 965–974 (2008).

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