镱镭飞秒成功交付用于微纳加工及瞬态吸收光谱探测的可调谐飞秒光源系统
2024.01.25
高功率Yb晶体作为一种增益介质的全固态飞秒激光器与光参量放大器（OPA）的组合，广泛应用于微纳加工和瞬态吸收光谱探测。如在量子光学和非线性光学中研究光与物质的相互作用，特别是在强场物理的研究中起到了重要的作用。同样的，在激光物理、光化学、光谱学、材料加工/表征、生物成像和显微术、集成电路制造、大气和环境监测等多学科多领域都有着重要的工具型作用。随着对飞秒激光器高重频和高能量需求的不断提高，在各类科研和工业市场中，不断展现优异的性能优势。以下简单介绍下这这两类应用的主要场景和优势。
1、多波长光源应用于不同材料微纳加工
随着对各类材料进行微尺度加工需求的增加，各类定制化的加工使得对微尺度精密加工的“刀具”或者“车床”的需求明显增加，
飞秒激光是一种超短脉冲激光，它的脉冲持续时间在飞秒（10-15 秒）量级。由于其极短的脉冲持续时间和极高的峰值功率，飞秒激光对不同材料的微纳加工具有显著优势。以下是飞秒激光对不同材料进行微纳加工的原理及其优势：
如在电路/芯片材料领域的精细加工、生物材料领域实现无损伤、高分辨率的成像和精确切割、同时随着对量子材料研究的不断兴起，制造量子点、量子线和量子井等。飞秒激光提供了一种非常精确且无需接触的方法，使得可以在极小尺度上控制量子材料的形状和尺寸。
客户选择高功率Yb飞秒激光器和光参量放大器做微纳加工主要是基于Yb晶体的高增益允许生成高功率和高峰值功率的飞秒脉冲，这对于硬材料的微纳加工尤为重要。基于高功率Yb飞秒激光器输出高单脉冲能量的特性，使得OPA输出的部分波段的能量也很可观，这极大的增加了不同材料的加工普适性。且飞秒激光的超短脉冲可以减少加工过程中的热影响区，使得精度更高、边缘更清晰，这对于精密和微纳加工尤为重要。
2、瞬态吸收光谱探测
飞秒激光+OPA（光参量放大器）在瞬态吸收光谱中的应用允许科学家研究各种非线性材料，如PPLN（周期性极化锂铌酸盐）和多种生物材料的非线性光学特性。瞬态吸收光谱可以揭示材料对激光脉冲的快速响应，为我们理解材料的电子结构、能级动力学和非线性响应提供信息。
飞秒激光+OPA在瞬态吸收光谱中的应用：
该项目客户课题组主要研究PPLN晶体相关的性质，对于PPLN等非线性光学材料，瞬态吸收光谱可以用来研究其在激光场中的极化响应、二阶或三阶非线性效应，以及相关的能量转移过程。此外在如生物材料领域也有着相关作用，如生物材料如蛋白质和DNA中，瞬态吸收光谱可以用来研究生物分子的光吸收、能量传递、光解和结构动态等。此外在量子点、流系材料等多方面也有很大的应用。
之所以选择高功率Yb飞秒激光器和OPA的组合其优势在于：
1. 宽频谱调谐、2. 高时间分辨率、3. 高峰值功率、4. 高稳定性和可靠性、更高系统兼容性、5. 超低热效应等方面。
该系统的泵浦激光器以及OPA泵源型号参数和典型测量指标如下。
| 型号 | APOLLO-HE |
| 中心波长 | 1030±nm（本项目） |
| 输出脉宽 | 770fs |
| 输出单脉冲能量 | 3mJ(本项目) |
| 输出功率 | 10W(本项目) |
| 重复频率 | 1-20kHz可调 ，重点1kHz、3.3kHz、10kHz优化，(本项目） |
| 光束质量 | M2<1.3 |
| 脉冲能量稳定性 | <1% RMS @8h,<1kHz |
| 长期功率稳定性 | <1% RMS @8h |
| 型号 | AURORA-10W |
| 调谐波长 | 630nm-2600nm（本项目） 可扩展至350nm-630nm |
| 泵浦光源 | 镱镭飞秒APOLLO 10W/3mJ/<800fs/1030nm |
| 泵浦能量 | 3mJ (本项目) |
| 泵浦功率 | 10W(本项目) |
| 重复频率 | 1-20kHz可调 ，重点1kHz、3.3kHz、10kHz优化，(本项目） |
| 压缩效率 | ≥70% |
| 压缩后脉冲 | <50fs @800nm(本项目) |
| 长期功率稳定性 | <0.26% RMS |
信号光光谱
630-1030nm
630-1030nm
闲频光光谱
1030-2600nm
1030-2600nm
OPA调谐功率曲线
750nm处测量OPA输出功率稳定性曲线，RMS=1.1%@20H
压缩后的脉冲宽度