德国工业4.0:弗劳恩霍夫研究所 | 先进光源的研发之路

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Fraunhofer IAO

撰稿 | L.D.

本文介绍德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer)研究所的CAPS先进光源项目。

工业级超短脉冲(Ultra-Short Pulse,以下简称USP)激光光源以其精密加工水平——无飞溅和热副作用——有望打开更大的应用市场。

但是目前USP激光光源的重频和功率仍然有限,有些商用USP激光光源能够超过150 W平均功率或150 µJ单脉冲能量,不过多数较之更低。即使有了更强的光源,如果太多脉冲聚焦到一个点上,超短脉冲将失去"冷加工"的能力,因此如何使用更高的功率也是挑战。

01

什么是CAPS?

挑战意味着巨大机遇,这就是德国弗劳恩霍夫研究所推出CAPS先进光源项目的原因,并联合其13家研究所开发新一代千瓦量级USP激光光源。

FraunhoferCluster of ExcellenceAdvancedPhotonSourcesCAPS

CAPS项目由弗劳恩霍夫激光技术研究所(位于亚琛)和弗劳恩霍夫应用光学研究所(位于耶拿)管理,不仅致力于突破激光功率限制,而且力求提升整个技术链的水平,从脉冲产生到加工技术和实际应用。

比如,要将高功率转化成高产量,必须为千瓦级USP激光系统开发新的加工技术.

首先是高重频和高能量激光和物质相互作用的基础研究;

另一项技术挑战是功率的分配。

而这个问题有三种解决方案:

第一种方法:将高能量脉冲分成很多平行的低能量脉冲,以此实施并行加工,或加工周期结构图案,实现生产力的大幅提升;

第二种方法:在每束低能量光束中使用声光调制器,通过单独开关生成激光阵列打印机。

第三种方法:使光束通过液晶调制器,这样几乎可以生成任意图案或光束性质,应用极为灵活。

02

CAPS的实现方式

CAPS先进光源项目的最关键问题是如何达到10 kW平均功率,为此采取同时采用两种技术:二极管泵浦板条放大器和相干合成光纤放大器

两种技术分别由亚琛和耶拿团队负责。下面分别介绍这两种放大器的具体实施。

2.1

板条放大器

板条激光器系统基于杜可明博士等人1996年申请的Innoslab专利技术。当时,杜可明在弗劳恩霍夫激光技术研究所工作,五年后创建了EdgeWave公司。弗劳恩霍夫激光技术研究所则继续改进Innoslab,用于千瓦级USP激光放大器。另一家公司AMPHOS因此成立,现为通快集团的一员。

Innoslab放大器原理如下图所示:板条晶体位于中间,通过旁边的反射镜使光束在晶体中多次往返。从晶体的长条矩形面上实施部分端泵,这种形状刚好匹配激光二极管巴条的发射特征。板条晶体通过两个大表面安装和冷却,便于高效散热。

为了取得更高功率可以增加晶体尺寸,如下图所示:Innoslab晶体以蓝色表示,被泵浦区域为红色,刚好匹配通过柱面镜一维整形的二极管巴条泵浦光,如需提升功率可以增加晶体在b和l两个方向上的长度。CAPS项目中的新板条系统设计以单放大器输出2 kW功率。

接下来两年的目标是通过两个放大器将功率增加到5 kW,而终极目标是使用碟片式放大器使功率倍增至10 kW。下面是基于掺镱Innoslab的主振荡功率放大器(MOPA)实物图,左边为种子飞秒激光器,中间为功率放大器,右边为515 nm倍频模块。

除了以上装置,CAPS亚琛团队还设计了多通气池用于进一步压缩脉冲。他们通过赫里奥特多通气池(光路请看下图)成功将脉冲从590 fa压缩到30 fs,而压缩效率很高,只有5%的能量损耗。压缩脉冲的能量略大于1 mJ,重频500 kHz,平均功率达到530 W。

2.2

光纤放大器

CAPS项目中的光纤放大器得益于夫琅禾费应用光学研究所和耶拿大学应用物理研究所密切合作积累的激光研究经验。光纤放大器已是一种非常成熟的技术。下图是10 kW光纤放大器的主要装置图,种子振荡器的输出脉冲先被展宽,经过放大后再次压缩。这种方法的限制是非线性效应的有害影响以及光纤的损伤阈值。

放大光束必须耦合到非常小的纤芯中,一种方法是采用大模场放大光纤。但是,为了突破单孔径光纤的限制必须采用新的方法。一种技术是将初始光束分成多束,每束光单独放大后通过相干合成一束光。但是,相干合成的实施比较复杂。在这种方法中,线偏振光分成两束正交偏振光。放大后再以原来的方式重新合束,这要求完美控制合束的空间和时间重叠,因此所有光束都需要主动相位稳定系统。

这种技术在CAPS光纤放大器中运行良好,取得了高达97%的合成效率。起初使用四光纤放大器产生了3.5 kW平均功率,而升级后的系统基于12根平行光纤。在最新的测试中,系统输出8.9 kW单模平均功率,光束质量因子小于1.2。下面是光纤放大器系统的实物图和一个细节图。

实物图

细节图

通过进一步优化,2020年初有望突破10 kW功率。脉冲能压缩至250 fs脉宽。通过后续模块还可压缩到极少周期脉冲,或者通过非线性转换成其它波长范围,从THz到软X射线,所以潜在应用也将非常广泛。

03

CAPS的应用与开发

在CAPS先进光源项目的13个合作研究所中,大部分研究这些新USP激光光源的应用,主要分为四组:

3.1

系统技术和组件

除了研发高功率激光器系统,这一组还致力于开发超短脉冲的传输、转换、模拟和测量技术。

3.2

生产

CAPS的最终愿景是将USP激光器系统引入大规模生产流程中,比如太阳能电池。

3.3

成像

高功率激光可以转换成相干红外或EUV光束,以此通过新的成像技术进行生物医学等材料的无创分析。通过激光驱动康普顿光源还能产生甚至更短的波长。

3.4

材料

10到20 kW级USP激光能够用于高效生成全人工材料,其它选项还包括寻找量子技术材料。

04

CAPS未来展望

CAPS项目目前着手于开发新一代高平均功率USP激光器系统,使用板条或光纤放大器产生数千瓦级亚皮秒激光脉冲。

和光源同时进行的还有光束传输技术研究,以确保激光的高效应用。

在合作开发一系列新技术的时候,研究人员希望能把USP激光变成这样一种工具,既能达到当前CW光纤激光的平均功率,又具备USP激光器的独特性质,包括高精密度以及加工几乎任何材料的能力。

本文授权转载于“中国光学”

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