车用CFRP脉冲超皮秒激光切割参数优化及质量分析

依次将激光波长设定在523、785和1064 nm这3种条件下,对碳纤维复合材料(CFRP)开展切割测试,计算得到切缝的宽度与深度尺寸,并对试样进行微观组织表征,对CFRP激光加工过程的作用机理进行分析。研究结果表明:经比较不同波长,523 nm激光的波长更短,能够产生很高能量的单光子,获得了最平整的切割截面,表现出最优的切割性能。随着扫描速度的提高,形成了更小的热影响范围,降低单位面积的注入能量。提高激光功率后,上切缝宽度与深度增大,促进了侧向与纵向发生更大程度的燃烧,形成更宽与更深的切缝,激光对材料造成了更强烈的作用,扩大了热损伤区。

5.2 W高重频257 nm深紫外皮秒激光器

为了提高半导体检测用深紫外激光器的检测效率,需要搭建高功率、高重频257 nm深紫外皮秒激光器实验平台。本文以光子晶体光纤放大器和腔外四倍频结构为基础,进行了257 nm深紫外激光器的实验研究。种子源采用中心波长为1030 nm、脉冲宽度为50 ps的光纤激光器,输出功率为20 mW,重复频率为19.8 MHz。通过两级掺镱双包层(65μm/275μm)光子晶体光纤棒放大结构,获得了1030 nm高功率基频光。利用二倍频晶体LBO、四倍频晶体BBO,采用腔外倍频方式获得了257 nm深紫外激光。种子源通过两级光子晶体光纤放大器输出的1030 nm基频光,输出功率为86 W,经过激光聚焦系统后,倍频得到二次谐波515 nm激光输出功率为47.5 W,四次谐波257 nm深紫外激光输出功率为5.2 W,四次谐波转换效率为6.05%。实验结果表明,该结构可获得高功率257 nm深紫外激光输出,为提高半导体检测用激光器的检测效率提供了新思路。

Repetition rate continuously tunable 10-GHz picosecond mode-locked fiber ring laser

A couple of simple-structure phase modulators were used in active mode-locked fiber laser to implement repetition rate continuous tuning. The laser produces pulse as short as 5.7 ps whose repetition rate tuning can cover the spacing of the adjoining order mode-locking frequencies.

18.4W皮秒光纤激光器及其全光纤化超连续谱源

采用光纤非线性环形腔被动锁模方案,研制毫瓦级掺镒皮秒光纤激光器,对其进行3级主振荡功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA),得到功率18.4 W,重复频率85 MHz,线宽5.7 nm的高质量皮秒激光输出.利用自主研发的模场适配器,实现了此高功率皮秒激光器对长度为50 m高非线性光子晶体光纤的高效全光纤化泵浦,研制了输出功率为3.6 W的全光纤化宽带超连续谱光源,其在1 700nm(500～2 200 nm)的带宽范围内具有10 dB的光谱平坦度.

高功率可调谐皮秒光纤激光产生技术

实验研究了一种基于增益开关激光二极管和掺镱光纤放大器的高功率可调谐皮秒激光脉冲产生技术与系统。采用增益开关激光二极管作为种子源,多级掺镱单模光纤预放大器和两级大模场双包层掺镱光纤主放大器构成的放大系统,以及增益补偿技术、可调谐滤波技术、Sagnac环技术和包层泵浦技术相结合的方法,获得了中心波长1 053～1 073 nm可调谐、线宽(FWHM)2.5～3 nm、脉冲宽度小于150 ps、重复频率1 MHz、平均功率10 W的高稳定和高光束质量(M2<1.2)的皮秒激光脉冲输出。

皮秒光纤激光器诱导不锈钢表面着色工艺

利用皮秒激光在304不锈钢上进行着色试验研究,分析了皮秒激光对不锈钢表面着色的周期性表面条纹结构机理,分别研究了扫描线间距、激光功率、扫描速度和离焦量等激光工艺参数对着色效果的影响。结果表明:改变扫描速度、线间距和功率均能对着色效果产生很大影响,最佳速度为90~300 mm/s,最佳线间距为0.003~0.01 mm,功率为30%~70%,并且三者对着色有近似的影响效果;而改变离焦量对着色效果的影响没有线间距、功率和速度三者显著。在此基础上,获得了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫对应较为合理的皮秒光纤激光加工参数。腐蚀性试验表明,未着色试样的腐蚀率是着色试样的3倍。

高功率线偏振皮秒脉冲簇Yb光纤激光器

以一个增益调制的分布式布喇格反射结构的半导体激光器为种子源,设计了一个高功率皮秒脉冲簇输出的线偏振掺镱光纤激光器.种子源输出脉冲宽度200ps,重复频率350MHz.在预放大中插入一个基于一级衍射透过的声光调制器实现了皮秒脉冲簇形式的激光输出,脉冲簇的重复频率在10-500kHz范围可调.皮秒脉冲簇激光通过一个基于大模场面积保偏Yb光纤的功率放大级,获得了高功率线偏振激光输出,平均功率83 W,偏振消光比优于15dB.当脉冲簇重复频率固定在100kHz,脉冲簇中同时存在350个子脉冲时,获得峰值功率12kW的皮秒激光输出.与传统连续脉冲输出的激光器相比,该系统能够实现脉冲簇的输出,有利于峰值功率的进一步提高,可应用于激光微加工领域.

光纤引导皮秒激光Al_2O_3陶瓷精细刻线研究

作为一项基础研究,提出了一种在陶瓷表面加工凹槽的新方法,利用光纤引导激光在陶瓷表面实现加工,并基于有限元分析法,对光通过光纤的电场强度进行了模拟,从实验和模拟两方面证明了光纤对激光具有光强增强效果,及其对光束的引导作用,能达到材料表面微结构的加工效果。与未用光纤引导激光加工的陶瓷表面做对比,光纤对光强的增强效应使得在具有高熔点、高硬脆物理特性的陶瓷表面产生刻蚀成为可能,小于聚焦光束直径(50μm)的增强区域尺寸保证了加工精度的提高。

碳纤维复合材料皮秒激光切割工艺研究

为了研究100W皮秒激光对碳纤维复合材料(CFRP)切割工艺,采用单因素实验方法,进行了理论分析和实验验证,得到了平均功率、重复频率、扫描速率、扫描次数对热影响区及扫描深度的影响规律,并对1.5mm厚碳纤维复合材料板进行了切割实验。结果表明,选取平均功率为60W、重复频率为0.4MHz、扫描速率为10m/s、轨迹重复扫描20次、切缝上表面宽为350μm等适当参量时,得到的直线切缝和圆形切孔的热影响区极小。这为皮秒激光切割CFRP的进一步研究与工业应用提供了参考。

皮秒光纤激光脉冲两个关键问题的研究

窄带耗散孤子锁模光纤激光器可以产生接近变换限制的皮秒脉冲,但受非线性相移的限制,输出脉冲重复频率不能通过增加腔长来降低,脉冲能量仅在0.1 nJ以下,严重制约着这类皮秒脉冲的实际应用。提出一种通过耦合器抽取腔内脉冲能量、抑制腔内非线性相移积累,进而允许增加腔长来降低窄带耗散孤子皮秒光纤激光脉冲重复频率的方法。运用该方法,成功地将激光器重复频率由35.2 MHz降低到了1.77 MHz,且脉冲时频特性保持不变。提出了一种基于级间FBG陷波滤波的抑制皮秒脉冲光纤放大中光谱展宽的方法。通过简单地使用级间陷波滤波器,既可窄化第一级光纤放大器后的输出脉冲谱宽,允许采用第二级光纤放大器进一步提升脉冲能量,而且,还可将脉冲重塑为近高斯形,利用高斯脉冲光谱展宽斜率小的特点,允许第二级光纤放大器将脉冲能量提升得更高。利用该方法,在RMS(均方值)谱宽保持0.4 nm以内的前提下,10 ps脉冲经标准单模光纤放大器后,能量可由0.2nJ可提升到10nJ以上。

基于MOPA结构与高能量种子源的高功率皮秒掺铥光纤放大器（英文）

以单脉冲能量更高的孤子激光器为种子源,通过主振荡放大技术,获得了2μm波段的高功率、皮秒脉冲激光器.该种子源是一个被动锁模的光纤激光器,通过优化、管理激光器谐振腔内的色散,获得了脉冲宽度为50ps、重复频率为55.6 MHz、谱宽约为21nm的高能量孤子脉冲输出.利用单模光纤在2μm波段的负啁啾色散特性,在进行功率放大之前将作为种子源的激光脉冲宽度展宽至600ps.最后,经过两级放大之后,获得平均功率约23 W、脉宽为660ps的激光输出.利用光栅对,对放大后的激光脉冲进行压缩,经测试压缩后的脉冲宽度约为0.9ps.

皮秒脉冲隐形切割碳化硅晶圆实验研究

为了实现高速度切割碳化硅(SiC)晶圆,采用自行研制的高能量皮秒脉冲光纤激光器进行了隐形切割实验。依据切片的截面形貌、表面热损伤区和边缘直线度,分析了皮秒激光器的切割结果,并探究了单脉冲能量和扫描速度对切片质量的影响。结果表明,当使用中心波长为1030 nm、重复频率为100 kHz、单脉冲能量为20μJ、脉冲宽度约为100 ps的皮秒脉冲隐形切割360μm厚度的SiC晶圆时,切片的质量能够满足实际应用要求,且激光的扫描速度可达400 mm/s,相应的切割速度为44.44 mm/s,高于其他相关报道。

基于锁模脉冲泵浦的全光纤化超连续谱光源

采用基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）的被动锁模方案,通过三级主振荡功率放大（MOPA）结构,构建了平均输出功率39.2 W的全光纤皮秒脉冲光纤激光器。输出激光脉冲宽度10.7 ps,重复频率68 MHz。利用该皮秒光纤激光器泵浦一段4.5 m长的国产光子晶体光纤（PCF）,实现了平均功率20.1 W的全光纤化结构超连续谱（SC）光纤激光输出。光谱宽度超出所用光谱仪600-1700 nm 的观测范围,在观测范围内具有10 dB 的光谱平坦度。

皮秒激光在精密加工技术中的应用研究

采用单因素实验方法,研究了用皮秒激光在玻璃上钻取高质量的孔和切割薄玻璃(小于200μm),结果表明,低脉冲能量、高重复率,有利于微加工。但当玻璃厚度大于0.5 mm时,则宜选取高脉冲能量和较低的重复率。采用同样的方法对碳纤维增强塑料精密加工过程中脉冲积累和扫描积累引起的热积累问题进行了研究,结果表明通过选取合适的进给速度和扫描次数,可以避免脉冲积累带来的有害热积累,大大减少热损伤;扫描积累的特征值有临界扫描次数,超过临界扫描次数,基体蒸发区的范围开始迅速增加。

增益分布对皮秒脉冲自相似放大的影响

采用数值模拟的方法,研究了增益分布对皮秒脉冲自相似放大的影响。构建了掺镱光纤内超短激光脉冲自相似放大的理论模型,以不同的泵浦方式、光纤长度和总增益系数实现不同的增益分布,探究了不同增益分布对增益光纤中皮秒脉冲的自相似放大过程和结果的影响。结果表明,皮秒脉冲在不同的增益分布下存在最佳的自相似放大结果,可以得到近变换极限的百飞秒高质量脉冲输出。发现同一信号光脉冲在增益光纤中演化至自相似放大过程时,正向泵浦方式下的演化速度比反向泵浦快。对于不同的增益光纤长度和总增益系数,正向泵浦方式下的信号光自相似区域主要集中在低入射脉冲能量和长波长区域,反向泵浦方式下的信号光自相似区域主要集中在高入射脉冲能量和短波长区域。

掺镱大模场光子晶体光纤研究进展(特邀)

掺镱大模场光子晶体光纤在高峰值功率超快激光放大器中有着重要的应用价值,其研究得到了广泛关注。首先简要介绍了国内外掺镱大模场光子晶体光纤的研究进展,阐述了掺镱大模场光子晶体光纤的基本设计思路,对比说明了保偏型掺镱光子晶体光纤的设计制备方法。重点介绍了近十年来中国科学院上海光学精密机械研究所在掺镱大模场光子晶体光纤方面的研究进展。包括掺镱大模场光子晶体光纤的纤芯折射率大小和均匀性控制、光子晶体光纤微结构控制等关键技术。采用自主研制的四种芯径为40~100μm的掺镱大模场光子晶体光纤开展了皮秒脉冲激光放大实验。利用40μm芯径的保偏掺镱光子晶体光纤实现了平均功率为100 W、光束质量因子(M2)小于1.4的稳定输出,偏振消光比为12 dB。利用100μm芯径的保偏掺镱大模场光子晶体光纤实现了M2小于1.5的高光束质量脉冲放大。上述研究为掺镱大模场光子晶体光纤的国产化应用奠定了基础。

基于周期极化掺镁铌酸锂晶体的中红外同步抽运皮秒光参量振荡器

采用全光纤主振荡功率放大(MOPA)结构皮秒脉冲激光器作为抽运源,搭建同步抽运光参量振荡器(OPO),实现了中红外波段的皮秒脉冲激光输出。光纤激光器输出脉冲重复频率为52MHz,脉宽约20ps,中心波长1064nm。使用一块长50mm、极化光栅周期为30.5μm的周期极化掺镁铌酸锂(PPMgLN)作为非线性频率转换晶体,采用信号光单谐振腔结构,在抽运功率5.2W时获得了平均功率为0.67 W的闲频光输出,中红外参量转换效率为12.9%,斜率效率达14.5%。通过改变晶体温度的方式实现了输出波长在1.544～1.608μm(信号光)和3.15～3.42μm(闲频光)范围内的调谐。从腔长同步匹配的角度讨论了该OPO系统的输出稳定性。

超快激光工艺参数对不锈钢表面着色的影响

利用皮秒激光在304不锈钢上进行表面着色试验研究。分析了皮秒激光对不锈钢表面着色的机理,建立了表面色彩的模型。分别试验研究了扫描线间距、扫描速度和脉冲能量等激光工艺参数对着色效果的影响。研究结果表明,改变线间距、扫描速度和功率均能对着色效果产生显著影响,在扫描速度90~300μm/s,扫描线间距0.001~0.01mm,单脉冲能量60~140mJ/cm^2的参数范围内能得到较好的色彩,而且三者对着色有近似的影响效果。在试验基础上,获得了皮秒激光参数与CIE L*a*b*色彩模型之间的关系。最后对着色后的试样进行了颜色老化对比试验。老化对比试验表明,不同老化时间下的激光着色试样的色差值ΔE均很小,说明各试样颜色接近,耐老化效果较好。

高功率全光纤掺镱皮秒光纤激光器

采用四级主振荡功率放大(MOPA)结构,研制了高功率全光纤掺镱皮秒光纤激光器。种子源采用基于非线性偏振旋转(NPR)效应的被动锁模光纤激光器,中心波长为1062.8nm,重复频率为17.51MHz,谱线宽度为5nm,平均功率为7.14mW。为了抑制功率放大过程中的非线性效应,通过全光纤重复频率扩展器将种子脉冲激光的重复频率提高到281.7MHz。主功率放大级以长度为4.8m的大模场面积掺镱双包层光纤作为增益介质。在抽运功率为60W时,获得的最大平均输出功率为31.2W,光光转换效率为52%。输出激光脉冲的中心波长为1063.7nm,脉冲宽度为10.2ps,重复频率为281.7MHz,谱线宽度为7nm,并对激光脉冲的时域和频域特性进行了分析。

基于皮秒脉冲泵浦的5W全光纤超连续谱光源

基于三级MOPA结构皮秒光纤激光器泵浦一段30 m长的国产光子晶体光纤(PCF),实现了全光纤化结构的超连续谱(SC)光源。在PCF与单模光纤(SMF)模场不匹配条件下,通过仔细调节熔接参数,在19 W入射功率条件下实现了最大功率为5 W的稳定超连续输出,系统光-光转换效率为24%。输出能量被很好地限制在纤芯,纤芯光斑为六边形的基模光斑。研究了光谱的演变过程,在最高功率时,对应的光谱短波展宽至600 nm,长波超过1 700 nm。