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      德國工業4.0:弗勞恩霍夫研究所 | 先進光源的研發之路

      德國工業4.0:弗勞恩霍夫研究所 | 先進光源的研發之路

      • 分類:行業新聞
      • 作者:
      • 來源:
      • 發布時間:2022-05-10
      • 訪問量:0

      【概要描述】工業級超短脈沖(Ultra-Short Pulse,以下簡稱USP)激光光源以其精密加工水平——無飛濺和熱副作用——有望打開更大的應用市場。

      德國工業4.0:弗勞恩霍夫研究所 | 先進光源的研發之路

      【概要描述】工業級超短脈沖(Ultra-Short Pulse,以下簡稱USP)激光光源以其精密加工水平——無飛濺和熱副作用——有望打開更大的應用市場。

      • 分類:行業新聞
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      • 來源:
      • 發布時間:2022-05-10
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      詳情
      撰稿 |  L.D.
       

      本文介紹德國弗勞恩霍夫(Fraunhofer)研究所的 CAPS 先進光源項目。

       

      工業級超短脈沖(Ultra-Short Pulse,以下簡稱USP)激光光源以其精密加工水平——無飛濺和熱副作用——有望打開更大的應用市場。

       

      但是目前USP激光光源的重頻和功率仍然有限,有些商用USP激光光源能夠超過150 W平均功率或150 µJ單脈沖能量,不過多數較之更低。即使有了更強的光源,如果太多脈沖聚焦到一個點上,超短脈沖將失去"冷加工"的能力,因此如何使用更高的功率也是挑戰。

       

      01

      什么是CAPS?

       

      挑戰意味著巨大機遇,這就是德國弗勞恩霍夫研究所推出CAPS先進光源項目的原因,并聯合其13家研究所開發新一代千瓦量級USP激光光源。

       

      圖片 

      Fraunhofer Cluster of Excellence
      Advanced Photon Sources CAPS

       

      CAPS項目由弗勞恩霍夫激光技術研究所(位于亞琛)和弗勞恩霍夫應用光學研究所(位于耶拿)管理,不僅致力于突破激光功率限制,而且力求提升整個技術鏈的水平,從脈沖產生到加工技術和實際應用。

       

      比如,要將高功率轉化成高產量,必須為千瓦級USP激光系統開發新的加工技術.

      首先是高重頻和高能量激光和物質相互作用的基礎研究;

      另一項技術挑戰是功率的分配。

       

      而這個問題有三種解決方案:
      第一種方法:將高能量脈沖分成很多平行的低能量脈沖,以此實施并行加工,或加工周期結構圖案,實現生產力的大幅提升;
      第二種方法:在每束低能量光束中使用聲光調制器,通過單獨開關生成激光陣列打印機。

      第三種方法:使光束通過液晶調制器,這樣幾乎可以生成任意圖案或光束性質,應用極為靈活。

       

      02

      CAPS的實現方式

       

      CAPS先進光源項目的最關鍵問題是如何達到10 kW平均功率,為此采取同時采用兩種技術:二極管泵浦板條放大器和相干合成光纖放大器。
       
      兩種技術分別由亞琛和耶拿團隊負責。下面分別介紹這兩種放大器的具體實施。
       
      2.1
      板條放大器
      板條激光器系統基于杜可明博士等人1996年申請的Innoslab專利技術。當時,杜可明在弗勞恩霍夫激光技術研究所工作,五年后創建了EdgeWave公司。弗勞恩霍夫激光技術研究所則繼續改進Innoslab,用于千瓦級USP激光放大器。另一家公司AMPHOS因此成立,現為通快集團的一員。
       
      Innoslab放大器原理如下圖所示:板條晶體位于中間,通過旁邊的反射鏡使光束在晶體中多次往返。從晶體的長條矩形面上實施部分端泵,這種形狀剛好匹配激光二極管巴條的發射特征。板條晶體通過兩個大表面安裝和冷卻,便于高效散熱。

      圖片

       
      為了取得更高功率可以增加晶體尺寸,如下圖所示:Innoslab晶體以藍色表示,被泵浦區域為紅色,剛好匹配通過柱面鏡一維整形的二極管巴條泵浦光,如需提升功率可以增加晶體在b和l兩個方向上的長度。CAPS項目中的新板條系統設計以單放大器輸出2 kW功率。

      圖片

       
      接下來兩年的目標是通過兩個放大器將功率增加到5 kW,而終極目標是使用碟片式放大器使功率倍增至10 kW。下面是基于摻鐿Innoslab的主振蕩功率放大器(MOPA)實物圖,左邊為種子飛秒激光器,中間為功率放大器,右邊為515 nm倍頻模塊。

      圖片

       
      除了以上裝置,CAPS亞琛團隊還設計了多通氣池用于進一步壓縮脈沖。他們通過赫里奧特多通氣池(光路請看下圖)成功將脈沖從590 fa壓縮到30 fs,而壓縮效率很高,只有5%的能量損耗。壓縮脈沖的能量略大于1 mJ,重頻500 kHz,平均功率達到530 W。

       

      2.2
      光纖放大器
      CAPS項目中的光纖放大器得益于夫瑯禾費應用光學研究所和耶拿大學應用物理研究所密切合作積累的激光研究經驗。光纖放大器已是一種非常成熟的技術。下圖是10 kW光纖放大器的主要裝置圖,種子振蕩器的輸出脈沖先被展寬,經過放大后再次壓縮。這種方法的限制是非線性效應的有害影響以及光纖的損傷閾值。

      圖片

       
      放大光束必須耦合到非常小的纖芯中,一種方法是采用大模場放大光纖。但是,為了突破單孔徑光纖的限制必須采用新的方法。一種技術是將初始光束分成多束,每束光單獨放大后通過相干合成一束光。但是,相干合成的實施比較復雜。在這種方法中,線偏振光分成兩束正交偏振光。放大后再以原來的方式重新合束,這要求完美控制合束的空間和時間重疊,因此所有光束都需要主動相位穩定系統。
       
      這種技術在CAPS光纖放大器中運行良好,取得了高達97%的合成效率。起初使用四光纖放大器產生了3.5 kW平均功率,而升級后的系統基于12根平行光纖。在最新的測試中,系統輸出8.9 kW單模平均功率,光束質量因子小于1.2。下面是光纖放大器系統的實物圖和一個細節圖。
       
      圖片

      ① 實物圖

      圖片

      ② 細節圖

       

       

      通過進一步優化,2020年初有望突破10 kW功率。脈沖能壓縮至250 fs脈寬。通過后續模塊還可壓縮到極少周期脈沖,或者通過非線性轉換成其它波長范圍,從THz到軟X射線,所以潛在應用也將非常廣泛。

       

      03

      CAPS的應用與開發

      在CAPS先進光源項目的13個合作研究所中,大部分研究這些新USP激光光源的應用,主要分為四組:
       

      3.1
      系統技術和組件

      除了研發高功率激光器系統,這一組還致力于開發超短脈沖的傳輸、轉換、模擬和測量技術。

       

      3.2
      生產

      CAPS的最終愿景是將USP激光器系統引入大規模生產流程中,比如太陽能電池。

       

      3.3
      成像

      高功率激光可以轉換成相干紅外或EUV光束,以此通過新的成像技術進行生物醫學等材料的無創分析。通過激光驅動康普頓光源還能產生甚至更短的波長。

       

      3.4
      材料

      10到20 kW級USP激光能夠用于高效生成全人工材料,其它選項還包括尋找量子技術材料。

       

      04

      CAPS未來展望

      CAPS項目目前著手于開發新一代高平均功率USP激光器系統,使用板條或光纖放大器產生數千瓦級亞皮秒激光脈沖。


      和光源同時進行的還有光束傳輸技術研究,以確保激光的高效應用。


      在合作開發一系列新技術的時候,研究人員希望能把USP激光變成這樣一種工具,既能達到當前CW光纖激光的平均功率,又具備USP激光器的獨特性質,包括高精密度以及加工幾乎任何材料的能力。
       

      本文授權轉載于“中國光學”

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