飛秒光纖激光器是一種主要由光纖激光器構(gòu)成，具有飛秒（10負(fù)15次秒）區(qū)持續(xù)時(shí)間的脈沖激光器。

飛秒激光器的脈寬極窄，瞬問(wèn)功率極高，既使平均輸出功率為lW，峰值功率也能達(dá)到千瓦級(jí)至兆瓦級(jí)以上。飛秒激光器現(xiàn)已應(yīng)用于以往納秒脈沖激光器或連續(xù)波激光器無(wú)法應(yīng)用的各種領(lǐng)域。

1990年，日本愛(ài)信精機(jī)公司以IMRA AmericaInc.的名字在美國(guó)成立了一家子公司，門(mén)從事飛秒光纖激光器的研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售與應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作。因此“IMRA”既是美國(guó)研究法人的名字，又是愛(ài)信精機(jī)公司生產(chǎn)的激光器的商標(biāo)名稱(chēng)，這是在美國(guó)研究開(kāi)發(fā)、日本制造的激光器。

1、飛秒光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)

1.1、小型 輕便

光纖激光器在確保必要光學(xué)長(zhǎng)度的同時(shí)，可將光纖卷成半徑約3cm的環(huán)形。與固體激光器相比，光纖激光器的體積大幅縮小。光纖形態(tài)每單位體積的表面積大于棒狀或片狀晶體激光器，散熱效果好，不需要冷卻器等外圍裝置，因此在這方面又大幅縮小了激光器的體積。

1．2、高可靠性 高穩(wěn)定性

光纖激光器是由光纖部件組裝而成。這些光纖部件采用電弧熔接的方法，因此光學(xué)軸長(zhǎng)期無(wú)偏移，這種連接方法確保了光纖激光器的穩(wěn)定性和可靠性。另外，IMRA激光器系統(tǒng)外部采購(gòu)的

激光配件都嚴(yán)格選用高可靠性的光通信部件，這也對(duì)激光器系統(tǒng)的高可靠性提供了保障。

1．3、高光束質(zhì)量

單模光纖輸出的光是近乎理想的點(diǎn)光源，輸出光束的圓度和強(qiáng)度分布較容易獲得接近理想的高質(zhì)量輸出光束。飛秒光纖激光器在用于微細(xì)加工時(shí)，聚焦光束很容易達(dá)到透鏡的聚焦極限，因此適于微細(xì)加工。

1．4、低功耗

現(xiàn)已廣泛使用的鈦寶石飛秒激光振蕩器的晶體吸收波長(zhǎng)在530nm附近，將大功率Nd：YAG激光器的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成530nm來(lái)泵浦激光器，既需要大型Nd：YAG激光器，又需要冷卻器，其電能消耗很大。而光纖激光器則不需要冷卻器，可以用二極管激光器直接泵浦。結(jié)果表明，飛秒光纖激光器的電光轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于鈦寶石飛秒激光器1個(gè)數(shù)量級(jí)。

2、飛秒光纖激光振蕩器

雖然20世紀(jì)90年代初問(wèn)世的飛秒光纖激光器的光學(xué)軸具有長(zhǎng)期無(wú)偏移的特點(diǎn)，但因溫度的變化等會(huì)使偏振面光纖旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致輸出功率的改變，因此需要偏振面的調(diào)整機(jī)構(gòu)，并需要維護(hù)。

1994年，F(xiàn)ermann等人利用新結(jié)構(gòu)的被動(dòng)鎖模飛秒脈沖激光振蕩器實(shí)現(xiàn)了無(wú)調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)?？蒲腥藛T在諧振腔的兩端對(duì)置法拉第轉(zhuǎn)子，以往返運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)補(bǔ)償因環(huán)境變化所引起的偏振旋轉(zhuǎn)。振蕩器的波長(zhǎng)為1560nm，重復(fù)頻率為50MHz、脈寬為400fs，平均輸出功率為5mW。此外，還附加了光放大器和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。該振蕩器于1998年開(kāi)始以“飛秒光R”為品牌投放市場(chǎng)，無(wú)須維修，可穩(wěn)定工作30000h以上，現(xiàn)仍在繼續(xù)工作

這種被動(dòng)鎖模飛秒脈沖激光振蕩器可用于最先進(jìn)的光通信用光計(jì)量系統(tǒng)中，作為免維修光源，現(xiàn)已被多家公司的飛秒激光應(yīng)用儀器所利用。

3、飛秒光纖放大器

當(dāng)飛秒脈沖激光器用于工業(yè)加工時(shí)，需要兆瓦級(jí)的脈沖峰值功率。因此，為將“飛秒光R”的千瓦級(jí)峰值功率放大3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，愛(ài)信精機(jī)公司開(kāi)發(fā)了如下2種放大方式。

3．1、光纖啁瞅脈沖放大

為了獲得高脈沖能量．采用了在鈦寶石等固體激光放大器中廣泛應(yīng)用的啁啾脈沖放大方式。這種方式是在光放大器之前，利用波長(zhǎng)引起的折射率差延長(zhǎng)脈寬使峰值功率降低并實(shí)現(xiàn)光放大，然后在最終端進(jìn)行脈沖壓縮。

與固體激光放大器的區(qū)別是：光纖啁啾放大無(wú)需用空間光學(xué)部件，而是用光纖的色散來(lái)實(shí)現(xiàn)放大，因此人們將其稱(chēng)為光纖啁啾脈沖放大（FCPA）。

3.2、用大口徑光纖進(jìn)行光放大

當(dāng)單模光纖內(nèi)的飛秒脈沖進(jìn)行光放大時(shí)，若脈沖能量為nJ／p以上，非線(xiàn)性效應(yīng)則變得明顯，增益下降。為了控制這種非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)，增大光纖內(nèi)的有效面積，并降低每單位面積的峰值功率，能夠有助于實(shí)現(xiàn)大功率。

然而，擴(kuò)大有效面積和單模變成多模會(huì)降低光束質(zhì)量。為解決這個(gè)問(wèn)題，可通過(guò)選擇性地提高光纖高階模的損耗達(dá)到理想要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，即使將多模光纖用于放大也可以保持高光束質(zhì)量。

3．3、工業(yè)加工用飛秒光纖激光器——FCPA μ Jewel

以上述技術(shù)為基礎(chǔ)，愛(ài)信精機(jī)公司推出了FCPA μ Jewel脈沖激光器。該激光器具有小型、輕便、高穩(wěn)定性和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。在以重復(fù)頻率工作時(shí)，具有級(jí)的脈沖能量。因這種激光器的振蕩介質(zhì)不同，所以該公司開(kāi)發(fā)了2種類(lèi)型。無(wú)論哪種類(lèi)型，均不需要冷卻器，僅使用100V交流電源就可運(yùn)轉(zhuǎn)。

4、利用FCPA μ Jewel激光器進(jìn)行飛秒微細(xì)加工

從原理上講，飛秒激光加工與以往用較長(zhǎng)脈寬的納秒激光加工有所不同。

用納秒激光加工時(shí)，當(dāng)激光照射物質(zhì)時(shí)，首先電子振動(dòng)，然后因其聲耦合而變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)，并對(duì)周?chē)鷤鳠?，使周?chē)镔|(zhì)加熱、熔化、蒸發(fā)。采用納秒激光器可進(jìn)行鉆孔和切割加工。

飛秒激光器因光脈沖的持續(xù)時(shí)間為飛秒級(jí)，因此在聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為晶格振動(dòng)之前便結(jié)束能量供給。當(dāng)脈沖能量低于加工閾值時(shí)，電子振動(dòng)停止。若高于某閾值以上，其強(qiáng)大的振動(dòng)引起電離，剝離耦合電子，引起物質(zhì)的燒蝕。也就是說(shuō)，飛秒激光器可實(shí)現(xiàn)不經(jīng)過(guò)熱過(guò)程的加工．只用透鏡聚焦光束進(jìn)行控制深度方向的三維加工，這就是飛秒激光加工的特點(diǎn)。

飛秒加工具有下列優(yōu)點(diǎn)：

①對(duì)加工區(qū)周?chē)臒嵊绊懶。?/p>

②可加工其它激光難以加工的材料，如透明材料、高熔點(diǎn)材料、熱分解器和熱變形材料等；

③可利用聚焦光束進(jìn)行控制深度方向的內(nèi)部加工。

但在飛秒加工中，當(dāng)脈沖能量密度過(guò)大時(shí)，會(huì)使原始材料熔化、出現(xiàn)微裂紋并對(duì)周邊產(chǎn)生較大的熱影響，其加工結(jié)果與納秒加工沒(méi)有什么區(qū)別。

因此，為了實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、重復(fù)性好和碎片少的加工，采用略超過(guò)加工閾值的脈沖能量密度至關(guān)重要。具有高重復(fù)脈沖的FCPA“Jewel激光器能最大限度地利用飛秒加工的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行高速加工．并有望實(shí)現(xiàn)低成本加工。

綜上所述，飛秒加工只能用直徑約幾微米的焦點(diǎn)進(jìn)行加工。如果在進(jìn)行某種大體積物質(zhì)的去除加工時(shí)，需在光束高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行高速掃描加工。飛秒加工機(jī)可根據(jù)客戶(hù)的需求進(jìn)行加工。

5、飛秒加工的實(shí)例

下面介紹采用FCPAJewel激光器加工的實(shí)例。

5．1、在樹(shù)脂襯底上選擇去除金屬薄膜

愛(ài)信精機(jī)公司的研究人員對(duì)是否能最小限度地保持加工周?chē)臒嵊绊?，是否能夠僅對(duì)所指定的部位進(jìn)行微細(xì)加工進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)聚酰亞胺樹(shù)脂薄膜襯底（厚度25m）上的4．5m銅膜進(jìn)行了去除實(shí)驗(yàn)，加工樣品的去除寬度為75m。采用的激光束直徑為40m、以12000r．P．S的轉(zhuǎn)速旋切，進(jìn)給速度為0．5mm／s橫向掃描3次，深度方向掃描3次實(shí)現(xiàn)了去除加工。結(jié)果表明，對(duì)樹(shù)脂無(wú)熱影響，實(shí)現(xiàn)了理想的銅膜去除加工。這種加工方法有望用于電路的修復(fù)、去毛刺和小批量產(chǎn)品的圖案成型。

5.2、在石英襯底上加工微通道

在生物和制藥領(lǐng)域．飛秒激光器可以在石英基板上進(jìn)行微通道加工。用飛秒激光器在石英襯底上形成寬70μm、深200μm任意形狀的槽。

通常廉價(jià)的、一次性使用的微通道采用的是樹(shù)脂襯底，但對(duì)部分需要到達(dá)紫外波段的要采用對(duì)紫外線(xiàn)透射的石英襯底。

加工方法是以直徑為70m的光束旋切，0．5mm／s的進(jìn)給速度，加工深度隨掃描次數(shù)的增加而任意增加，也可實(shí)現(xiàn)1mm襯底的穿透加工。利用飛秒激光也可對(duì)硼硅玻璃、藍(lán)寶石等襯底材料進(jìn)行同樣的加工，但加工的表面光潔度不理想（Rr=0．5μm）。為解決這個(gè)問(wèn)題，必須改善進(jìn)給速度和激光輸出功率等加工條件，使其達(dá)到最佳化。

5．3、單晶金剛石的微細(xì)打子L加工

利用FCPA μ Jewel飛秒激光器對(duì)其它激光器難以加T的單晶金剛石進(jìn)行了打孔加工（孔徑20μm）。用光束開(kāi)孔的同時(shí)，采用光束掃描表面并在深度方向以2μm/s的速度掃描實(shí)現(xiàn)深孔加工的例子。在加工部位的周同未見(jiàn)燒傷痕跡，實(shí)現(xiàn)單品金剛石的理想加工。

5．4、耐熱鉻鎳鐵合金的槽加工

鉻鎳鐵合金是一種在l200oC高溫下也難以熔化的高耐熱性合金．因此難以切削。用于高壓實(shí)驗(yàn)的一些元件使用這種材料，其微細(xì)布線(xiàn)需要開(kāi)細(xì)槽。采用FCPA μ Jewel飛秒激光器對(duì)鉻鎳鐵合金表面進(jìn)行了開(kāi)槽加工，加工結(jié)果如圖5所示，槽寬為50μm、槽深為42μm，整個(gè)槽的深度與寬度都很均勻，說(shuō)明加工過(guò)程非常穩(wěn)定。另外從照片可以看出槽邊緣部位沒(méi)有下垂碎沫附著。

5．5、直徑1μm子L的加工

當(dāng)用物鏡聚焦紅外激光時(shí)，聚焦直徑為幾微米。一般很難實(shí)現(xiàn)尺度在聚焦直徑以下的微孔加工。然而，飛秒激光器可利用聚焦點(diǎn)上的光束強(qiáng)度分布，通過(guò)對(duì)超過(guò)加工閾值的中心部分進(jìn)行調(diào)整成功地打出了比聚焦直徑小的微孔。

另外，飛秒光纖激光器可用于制作生物傳感器要求激光器在SiO膜上、厚度為364nm的鈷膜上打出直徑為1μm的孔，而不能傷及鈷膜下面的Si02。若在加工過(guò)程中產(chǎn)生碎沫則不能確保納米級(jí)的光潔度，還會(huì)影響其后邊的工序。

當(dāng)加工條件達(dá)到最佳化時(shí)，激光輸出聚焦功率達(dá)5mW，當(dāng)用50倍的物鏡聚焦時(shí)，可以獲得約lμm的孔。當(dāng)照射時(shí)間為4～8msec時(shí)，孔深達(dá)364nm．正好只去除鈷層，而不傷及Si02層?？字?chē)鷰缀鯖](méi)有碎沫，達(dá)到了理想的加工結(jié)果在加工口處見(jiàn)到的須狀物可能是存偏振方向形成的垂直表面的納米周期結(jié)構(gòu)。如果將偏振光變成圓偏振光，或無(wú)偏振光，那么這種現(xiàn)象就會(huì)消失。

6、結(jié)束語(yǔ)

事實(shí)上，愛(ài)信精機(jī)公司的飛秒激光用于工業(yè)加工的最大障礙是受飛秒加工基本利的限制，也就是所謂的“密歇根利（美國(guó)利號(hào)：專(zhuān)利5656186、日本專(zhuān)利號(hào)328365）”。這項(xiàng)利是加工方法的專(zhuān)利，激光制造商不能直接侵權(quán)，但為拓展飛秒加工技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，愛(ài)信精機(jī)公司現(xiàn)已獲得了該利使用權(quán)。

此外，愛(ài)信精機(jī)公司還組建了能實(shí)際利用愛(ài)信精機(jī)公司生產(chǎn)的激光器進(jìn)行加工的“開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室”希望今后飛秒加T技術(shù)的應(yīng)用得到進(jìn)一步的發(fā)展。