引言

隨著飛秒激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，其在透明介質(zhì)內(nèi)部的微加工應(yīng)用也日益廣泛。近期南安普頓大學(xué)光電研究中心的Yuhao Lei等人發(fā)表在《Optics Letters》上的一篇研究文章揭示了脈沖時(shí)間對(duì)比度（pulse temporal contrast）在飛秒激光寫(xiě)入中的關(guān)鍵作用。本文主要比較了Yb:KGW全固態(tài)激光器與Yb光纖激光器在不同時(shí)間對(duì)比度下的寫(xiě)入效果，可以為激光加工行業(yè)提供新的參考。

在現(xiàn)代激光技術(shù)領(lǐng)域，選擇合適的激光器對(duì)于確�？蒲泻凸�業(yè)應(yīng)用的效率至關(guān)重要。摻鐿鎢酸釓鉀（Yb:KGW）全固態(tài)激光器和摻Y(jié)b光纖激光器都是高性能飛秒激光光源，但它們?cè)趹?yīng)用中的表現(xiàn)各有特點(diǎn)。以下是這兩種激光系統(tǒng)的詳細(xì)比較分析，特別關(guān)注于它們的激光系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)、時(shí)間對(duì)比度測(cè)量、以及寫(xiě)入實(shí)驗(yàn)的效果、能量閾值要求等。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

激光系統(tǒng)

Yb:KGW全固態(tài)激光器（型號(hào)Pharos，由Light Conversion Ltd. 生產(chǎn)）：這種激光器因其高時(shí)間對(duì)比度和能夠在寬泛的參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行精確的材料加工而受到青睞。

摻Y(jié)b光纖激光器（型號(hào)Satguma，由Amplitude Systems 生產(chǎn)）：這種激光器以其緊湊的設(shè)計(jì)和相對(duì)較高的功率上限著稱，適用于需要重復(fù)高頻率操作的應(yīng)用。

兩種激光器在相同的波長(zhǎng)(1030 nm)、脈沖持續(xù)時(shí)間(270-500 fs)、重復(fù)頻率(100 kHz至1 MHz)和脈沖能量(450 nJ至1 µJ)下進(jìn)行測(cè)試。

時(shí)間對(duì)比度測(cè)量：用高動(dòng)態(tài)范圍自相關(guān)儀（pulseCheckSMType2，APE）測(cè)量脈沖時(shí)間對(duì)比度。

寫(xiě)入實(shí)驗(yàn)：激光束通過(guò)0.16或0.4 NA非球面透鏡聚焦在合成石英玻璃基板表面以下170 μm處。使用帶有雙折射測(cè)量系統(tǒng)的顯微鏡分析激光誘導(dǎo)的修改。

Yb:KGW全固態(tài)激光器和Yb光纖激光器的加工效果比較

1.脈沖時(shí)間對(duì)比度

研究發(fā)現(xiàn)，脈沖時(shí)間對(duì)比度是影響透明介質(zhì)內(nèi)激光寫(xiě)入效果的關(guān)鍵參數(shù)。高對(duì)比度脈沖可以更有效地控制能量沉積和材料修改，而低對(duì)比度脈沖則在特定應(yīng)用中表現(xiàn)更優(yōu)。

Yb:KGW全固態(tài)激光器的脈沖時(shí)間對(duì)比度約為10^7，而Yb光纖激光器的對(duì)比度僅為10^3。這意味著Yb光纖激光器的脈沖包含一個(gè)持續(xù)約200 ps的次納秒脈沖,占總能量的32%，這會(huì)顯著影響能量的傳遞和材料的修改效果。

圖1 在100到1000 ps的時(shí)間范圍內(nèi)，Yb:KGW 和光纖激光器發(fā)出的300 fs脈沖的時(shí)間對(duì)比度。(a)兩種激光器在500 kHz重復(fù)頻率下的對(duì)比度比較。(b)光纖激光器在不同重復(fù)頻率下的對(duì)比度

2.寫(xiě)入效果對(duì)比

Yb:KGW全固態(tài)激光器：能在更廣的參數(shù)范圍內(nèi)寫(xiě)入各類結(jié)構(gòu)，包括各向異性結(jié)構(gòu)（typeX）和各向同性結(jié)構(gòu)（type1）。在Np<20時(shí)無(wú)明顯雙折射，在20<Np<150時(shí)出現(xiàn)typeX雙折射體素（納米孔結(jié)構(gòu)），在Np>150時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)type 2 m修改（層狀雙折射結(jié)構(gòu)）。

Yb光纖激光器在相同參數(shù)下表現(xiàn)不如Yb:KGW激光器。尤其是在Np<40時(shí)幾乎無(wú)任何材料修改，而在40<Np<300時(shí)則能形成強(qiáng)度大約是Yb:KGW激光器1.5倍的type 2 m層狀雙折射結(jié)構(gòu)。

圖2 激光寫(xiě)入體素的雙折射和光學(xué)圖像：用（a）和（b）Yb:KGW全固態(tài)激光和（c）Yb光纖激光寫(xiě)入的雙折射體素的俯視圖。拍攝了壓印體素的雙折射圖像（左）和相應(yīng)的光學(xué)透射圖像（右）。（d）不同體素的側(cè)視雙折射圖像。紅色箭頭表示激光束的偏振，偽彩色（插圖）表示慢軸的局部方向。（a）和（c）的處理?xiàng)l件：1030 nm波長(zhǎng)，300 fs脈沖持續(xù)時(shí)間，700 nJ脈沖能量，500 kHz重復(fù)頻率，1-500個(gè)脈沖數(shù)（Np），通過(guò)0.16 NA鏡頭聚焦

3.能量閾值要求

能量閾值是指實(shí)現(xiàn)材料修改所需的最小脈沖能量。Yb:KGW全固態(tài)激光器對(duì)材料修改的能量閾值約為450-900 nJ，低于Yb光纖激光器的700 nJ閾值。由于Yb:KGW激光器的高對(duì)比度脈沖能夠更有效地在材料中沉積能量，因而在更低的能量閾值下即可實(shí)現(xiàn)材料修改。而Yb光纖激光器由于次納秒脈沖部分的存在，需要更高的能量閾值才能實(shí)現(xiàn)同樣的效果。這意味著Yb:KGW激光器在較低能量水平下具有更高的效率和更好的性能，從而實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)和高效的微加工過(guò)程。

圖3 兩種激光器中雙折射體素的延遲與寫(xiě)入脈沖數(shù)的關(guān)系。脈沖能量（a）700 nJ、（b）800 nJ處理?xiàng)l件：入射波長(zhǎng)=1030 nm，脈沖寬度=300 fs，重復(fù)頻率=500 kHz，0.16 NA 透鏡

4.結(jié)構(gòu)均勻性和精度

結(jié)構(gòu)均勻性和精度對(duì)于高要求的材料加工應(yīng)用至關(guān)重要。Yb:KGW全固態(tài)激光器可以提供更均勻和精確的修改，這對(duì)于需要高保真度的材料加工應(yīng)用尤為重要。其高時(shí)間對(duì)比度和能量效率有助于生產(chǎn)一致且定義明確的結(jié)構(gòu)。而Yb光纖激光器由于其基座能量，通常會(huì)導(dǎo)致修改的不均勻，并可能引起不希望的材料變化，使其在高精度應(yīng)用中不太可靠。

結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果我們可以總結(jié)透明材料的修改不僅由脈沖持續(xù)時(shí)間和能量決定，也會(huì)受脈沖對(duì)比度的影響。高對(duì)比度脈沖（如Yb:KGW全固態(tài)激光器）在修改性能上表現(xiàn)更優(yōu)，而低對(duì)比度脈沖（如Yb光纖激光器）更適合生成特定類型的雙折射結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)可能需要對(duì)過(guò)去二十年來(lái)利用光纖激光器在透明材料中進(jìn)行微加工的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行重新解讀。

Yb:KGW全固態(tài)激光器因其高對(duì)比度和能夠在更廣的參數(shù)范圍內(nèi)有效修改材料而被視為更適合精細(xì)加工的選擇。相比之下，Yb光纖激光器雖然在特定條件下可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的雙折射結(jié)構(gòu)，但其較低的時(shí)間對(duì)比度限制了其應(yīng)用的廣度。這些發(fā)現(xiàn)提供了重新評(píng)估和優(yōu)化使用光纖激光器進(jìn)行透明材料加工的方法的可能性，尤其是在需要精確控制能量傳遞和修改效果的高端應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)：

《Controlling ultrafast laser writing in silica glass by pulse temporal contrast》

Yuhao Lei, Huijun Wang, Gholamreza Shayeganrad, Yuri Svirko, and Peter G. Kazansky, Opt. Lett. 49, 2385-2388 (2024) 

文章來(lái)源：上海鐿鐳飛秒激光

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