引言

随着飞秒激光技术的迅猛发展，其在透明介质内部的微加工应用也日益广泛。近期南安普顿大学光电研究中心的Yuhao Lei,等人发表在《Optics Letters》上的一篇研究文章揭示了脉冲时间对比度（pulse temporal contrast）在飞秒激光写入中的关键作用。本文主要比较了Yb:KGW激光器与Yb光纤激光器在不同时间对比度下的写入效果，可以为激光加工行业提供新的参考。

在现代激光技术领域，选择合适的激光器对于确保科研和工业应用的效率至关重要。Yb掺杂钨酸钆钾（Yb:KGW）激光器和Yb掺杂光纤激光器都是高性能激光源，但它们在应用中的表现各有特点。以下是这两种激光系统的详细比较分析，特别关注于它们的激光系统、实验参数、时间对比度测量、以及写入实验的效果。

实验设计

激光系统

Yb:KGW激光器（型号Pharos，由Light Conversion Ltd. 生产）：这种激光器因其高时间对比度和能够在宽泛的参数范围内进行精确的材料加工而受到青睐。

Yb掺杂光纤激光器（型号Satguma，由Amplitude Systems 生产）：这种激光器以其紧凑的设计和较低的时间对比度著称，适用于需要连续或重复高频率操作的应用。

两种激光器在相同的波长(1030nm)、脉冲持续时间(270-500fs)、重复频率(100kHz至1MHz)和脉冲能量(450nJ至1µJ)下进行测试。

时间对比度测量:使用高动态范围自相关仪(pulseCheckSMType2,APE)测量脉冲时间对比度

写入实验:激光束通过0.16或0.4NA非球面透镜聚焦在合成石英玻璃基板表面以下170μm处。使用带有双折射测量系统的显微镜分析激光诱导的修改。

Yb:KGW激光器和 Yb光纤激光器的效果比较

1.脉冲时间对比度:
研究发现，脉冲时间对比度是影响透明介质内激光写入效果的关键参数。高对比度脉冲可以更有效地控制能量沉积和材料修改，而低对比度脉冲则在特定应用中表现更优。
Yb:KGW激光器的脉冲时间对比度约为10~7,而Yb光纤激光器的对比度仅为10^3。这意味着Yb光纤激光器的脉冲包含一个持续约200p8的次纳秒脉冲,占总能量的32%，这会显著影响能量的传递和材料的修改效果。

图1：在 100 到 1000 ps 的时间范围内，Yb:KGW 和光纤激光器发出的 300 fs 脉冲的时间对比度。

(a)两种激光器在 500 kHz 重复频率下的对比度比较。 (b)光纤激光器在不同重复频率下的对比度。

2.写入效果对比
Yb;KGw激光器:能在更广的参数范围内写入各类结构,包括各向异性结构(typeX)和各向同性结构(type1)。在Np<20时无明显双折射,在20<Np<150时出现typeX双折射体素(纳米孔结构),在Np>150时开始出现type2m修改(层状双折射结构)。

Yb光纤激光器在相同参数下表现不如Yb:KGW激光器。尤其是在Np<40时几乎无任何材料修改，而在40<Np<300时则能形成强度大约是Yb:KGW激光器1.5倍的type 2m层状双折射结构。

图2.激光写入体素的双折射和光学图像：用(a)和(b)Yb:KGW激光和(c)Yb光纤激光写入的双折射体素的俯视图。拍摄了压印体素的双折射图像（左）和相应的光学透射图像（右）。
(d) 不同体素的侧视双折射图像。红色箭头表示激光束的偏振，伪彩色（插图）表示慢轴的局部方向。
(a)和(c)的处理条件：1030nm 波长，300 f 脉冲持续时间，700nJ 脉冲能量，500 kHz 重复频率，1-500 个脉冲数（N，），通过 0.16 NA 镜头聚焦。

3.能量阈值要求

能量阈值是指实现材料修改所需的最小脉冲能量。Yb:KGW激光器对材料修改的能量阈值约为450-900nJ，低于Yb光纤激光器的700nJ阈值。由于Yb:KGW激光器的高对比度脉冲能够更有效地在材料中沉积能量，因而在更低的能量阈值下即可实现材料修改。而Yb光纤激光器由于次纳秒脉冲部分的存在，需要更高的能量阈值才能实现同样的效果。这意味着Yb:KGW激光器在较低能量水平下具有更高的效率和更好的性能，从而实现更经济和高效的微加工过程。

图3：两种激光器中双折射体素的延迟与写入脉冲数的关系。脉冲能量(a) 700 nJ (b) 800 nJ

处理条件：入射波长= 1030 nm，脉冲宽度= 300 fs，重复频率= 500 kHz，0.16NA 透镜。

4. 结构均匀性和精度

结构均匀性和精度对于高要求的材料加工应用至关重要。Yb:KGW激光器可以提供更均匀和精确的修改，这对于需要高保真度的材料加工应用尤为重要。其高时间对比度和能量效率有助于生产一致且定义明确的结构。而Yb光纤激光器由于其基座能量，通常会导致修改的不均匀，并可能引起不希望的材料变化，使其在高精度应用中不太可靠。

结论

根据实验效果我们可以总结透明材料的修改不仅由脉冲持续时间和能量决定,也会受脉冲对比度的影响。高对比度脉冲(如Yb:KGW激光器)在修改性能上表现更优,而低对比度脉冲(如Yb光纤激光器)更适合生成特定类型的双折射结构。这一发现可能需要对过去二十年来利用光纤激光器在透明材料中进行微加工的研究数据进行重新解读。

Yb:KGW激光器因其高对比度和能够在更广的参数范围内有效修改材料而被视为更适合精细加工的选择0。相比之下，Yb光纤激光器虽然在特定条件下可以产生强烈的双折射结构，但其较低的时间对比度限制了其应用的广度。这些发现提供了重新评估和优化使用光纤激光器进行透明材料加工的方法的可能性，尤其是在需要精确控制能量传递和修改效果的高端应用中。