适用于工业级高级脉冲压缩器的反射镜

By Darius Šilinskis, 2020

 

工业级高功率超短脉冲激光器

自从产生高强度超短脉冲的方法- CPA[1]发明以来，它已经发展成为最主要的技术之一[2]。随着固态和光纤技术的进一步发展，工业市场需要结构紧凑而且结构更加简单的高功率超短脉冲激光器。玻璃切割或硅晶片分片等材料加工应用揭示了对超短激光器改进的进一步需求。这些激光器需要满足以下主要工业要求：它们必须坚固耐用，并且具有稳定的脉冲能量和光束轮廓。此外，在批量生产中需要确保上述功能。所述条件都决定了用于制造此类工业激光器光学元件的要求。

图1. CPA系统的结构示意图

 

量产下高功率脉冲压缩器的挑战

尽管脉冲压缩器有很多类型，但大部分都有相同主要结构（图 1）。有许多能够压缩脉冲的元件例如衍射光栅、棱柱组和用于反射激光的反射镜等等。当衍射光栅的激光损伤阈值是高功率脉冲压缩器的限制因素时，可以通过选择更大光栅来跳过这个限制。然而，光栅增加意味着压缩器中的反射镜镜尺寸也应增加，这会带来保持低反射光束畸变的挑战。值得注意的是，反射镜会面临多重反射，这对反射镜的表面平坦度的数值至关重要。但是光有平坦的反射镜还是不够，激光也需要较好的准直。这又直接联系到了反射镜的角度精准度，若是直角反射镜则还需要考虑直角和锥形误差。平坦和精准角度的反射镜会减少装配脉冲压缩器的时间，这也是量产的目标之一。

 

Altechna’的解决方案

低光束畸变

镀膜过程中会产生的压力，这个压力是使得平坦的基片在镀膜后形变的最主要原因，这最终会导致光束轮廓畸变[4]。一共由许多方法来解决畸变的问题，例如，使用更厚的基片或者使用会产生更小镀膜压力的镀膜技术。但是，这些解决方案存在缺点，尤其是工业应用之中，往往需要使用占用空间较小激光器。因此，Altechna研发了一种用于补偿厚镀膜层所产压力的镀膜技术。该技术使镜片镀膜后的平整度与镀膜前的基片平整度相当（图 2），甚至可以应用于很薄的反射镜。此外，通过溅射技术，反射镜可达到>99.99%反射率和群延迟色散的优化减少了啁啾脉冲的影响，最终会简化脉冲压缩器的设计计算（图 3）。

图 2. 镀膜之前平坦度测量值（左）和镀膜之后压力补偿的平坦度测量值（右）， 图中大小 95 mm x 20 mm。

图3. S偏振和P偏振的GDD反射测量

 

快速准直

尽管脉冲压缩器中衍射光栅和棱柱的准直被认为最大的挑战，但反射镜角度的精度也不可忽视。直角不精确的反射镜会给调准直带来额外的复杂性，在量产中，这相当于降低生产率。考虑到这一点，Altechna提供具有单独具有精准角度的反射镜或组合反射镜 – 所谓的直角反射镜（图4）。根据反射镜大小不同，直角精度可达到+/-5 arcsec ，锥形误差可达到+/-1 arcmin。 控制好这两个参数能够减少搭建脉冲压缩器的时间。

图4. 高反直角反射镜

 

环境稳定性

良好的环境稳定性是工业级激光器和激光系统的一个关键要求。即使在温度或者相对湿度等环境条件发生变化时，也需要确保稳定性。还应注意的是，对于像反射镜这样的激光组件，环境的影响通常表现为光谱偏移。这种影响主要是由多孔镀膜层的吸水性引起的，它最终会改变折射率[6]。为了克服这个难题，Altechna正在用溅射技术制造反射镜，这种技术可以保证体积状的镀膜层密度，从而保证环境的稳定性。计算机控制的过程确保了重复性和大的镀膜面积，非常适合批量生产（图5）。

图5. Altechna 磁控溅射镀膜技术

 

参考文献

[1] D. Strickland and G. Mourou, Opt. Commun., 56, 3, 219 (1985).

[2] https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/14035380/femtosecond-lasers-from-inception-to-industrial-applications

[3] N. Bonod and J. Neauport, Diffraction gratings: from principles to applications in high-intensity lasers, Vol. 8, No. 1, Advances in Optics and Photonics.

[4] T. Tolenis, L. Grinevičiūtė, L. Mažulė, A. Selskis and R. Drazdys, „Low-stress phase plates produced by serial bideposition of TiO₂ thin films”, J. Nanophoton. 10(3), 036003 (2016), doi: 10.1117/1.JNP.10.036003.

[5] I. V. Yakovlev, Stretchers and compressors for ultra-high power laser systems, Quantum Electronics 44 (5) 393 – 414 (2014).

[6] J. R. Gee, I. J. Hodgkinson, H. A. Macleod, Moisture-dependent Anisotropic Effects in Optical Coatings. Applied Optics 1985, 24, 3188–3192.