一種飛秒激光振蕩器的裝調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超快激光領(lǐng)域，涉及一種飛秒激光振蕩器的裝調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]飛秒激光是過去20年間由激光科學(xué)發(fā)展起來的最強有力的新工具之一。飛秒脈沖是如此的短，目前已經(jīng)達到了 4fs以內(nèi)。I飛秒(fs)，即10_15s，僅僅是I千萬億分之一秒，如果將1fs作為幾何平均來衡量宇宙，其壽命僅不過Imin而已；飛秒脈沖又是如此之強，采用多級啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)獲得的最大脈沖峰值功率可達到百太瓦(TW，即112W)甚至拍瓦(PWJP 115W)量級，其可聚焦強度比將太陽輻射到地球上的全部光聚焦成針尖般大小后的能量密度還要高。飛秒激光完全是人類創(chuàng)造的奇跡。
[0003]近二十年來，從染料激光器到克爾透鏡鎖模的鈦寶石飛秒激光器，以及后來的二極管泵浦的全固態(tài)飛秒激光器和飛秒光纖激光器，雖然說脈沖寬度和能量的記錄在不斷刷新，但最大進展莫過于獲得超飛秒脈沖變得輕而易舉了。桑迪亞國家實驗室的R.Trebino說過去10年中，(超快)技術(shù)已有顯著改善，鈦藍寶石激光器和現(xiàn)在的光纖激光器正在使這種(飛秒)激光器的運轉(zhuǎn)變得簡潔和穩(wěn)定。這種激光器現(xiàn)在人們已可買到，而10年前，你卻必須自己建立?！?br>[0004]根據(jù)飛秒激光超短和超強的特點，大體上可以將應(yīng)用研宄領(lǐng)域分成超快瞬態(tài)現(xiàn)象的研宄和超強現(xiàn)象的研宄。它們都是隨著激光脈沖寬度的縮短和脈沖能量的增加而不斷的得以深入和發(fā)展。飛秒脈沖激光的最直接應(yīng)用是人們利用它作為光源，形成多種時間分辨光譜技術(shù)和泵浦/探測技術(shù)。它的發(fā)展直接帶動物理、化學(xué)、生物、材料與信息科學(xué)的研宄進入微觀超快過程領(lǐng)域，并開創(chuàng)了一些全新的研宄領(lǐng)域，如飛秒化學(xué)、量子控制化學(xué)、半導(dǎo)體相干光譜等。飛秒脈沖激光與納米顯微術(shù)的結(jié)合，使人們可以研宄半導(dǎo)體的納米結(jié)構(gòu)(量子線、量子點和納米晶體)中的載流子動力學(xué)。在生物學(xué)方面，人們正在利用飛秒激光技術(shù)所提供的差異吸收光譜、泵浦/探測技術(shù)，研宄光合作用反應(yīng)中心的傳能、轉(zhuǎn)能與電荷分離過程。超短脈沖激光還被應(yīng)用于信息的傳輸、處理與存貯方面。
[0005]第一臺利用啁啾脈沖放大技術(shù)實現(xiàn)的臺式太瓦激光的成功運轉(zhuǎn)始于1988年，這一成果標(biāo)志著在實驗室內(nèi)飛秒超強及超高強光物理研宄的開始。在這一領(lǐng)域研宄中，由于超短激光場的作用已相當(dāng)于或者大大超過原子中電子所受到的束縛場，微擾論已不能成立，新的理論處理有待于發(fā)展。在102°W/cm2的光強下，可以實現(xiàn)模擬天體物理現(xiàn)象的研宄。1019-1021W/cm2的超高強激光產(chǎn)生的熱電子(200keV < E < 1MEV)可以加熱大量離子而引發(fā)核聚變。這種慣性約束核聚變(ICF)快點火概念的最終實現(xiàn)將為國家安全和能源利用做出不可估量的貢獻。
[0006]飛秒激光的另一個重要的應(yīng)用就是微精細(xì)加工。通常，按激光脈沖標(biāo)準(zhǔn)來說，持續(xù)時間大于10皮秒(相當(dāng)于熱傳導(dǎo)時間)的激光脈沖屬于長脈沖，用它來加工材料，由于熱效應(yīng)使周圍材料發(fā)生變化，從而影響加工精度。而脈沖寬度只有幾千萬億分之一秒的飛秒激光脈沖則擁有獨特的材料加工特性，如加工孔徑的熔融區(qū)很小或者沒有；可以實現(xiàn)多種材料，如金屬、半導(dǎo)體、透明材料內(nèi)部甚至生物組織等的微機械加工、雕刻；加工區(qū)域可以小于聚焦尺寸，突破衍射極限等等。一些汽車制造廠和重型設(shè)備加工廠目前正研宄用飛秒激光加工更好的發(fā)動機噴油嘴。使用超短脈沖激光，可在金屬上打出幾百納米寬的小孔。在最近于奧蘭多舉行的美國光學(xué)學(xué)會會議上，IBM公司的海特說，IBM已將一種飛秒激光系統(tǒng)用于大規(guī)模集成電路芯片的光刻工藝中。用飛秒激光進行切割，幾乎沒有熱傳遞。美國勞倫斯？利弗莫爾國家實驗室的研宄人員發(fā)現(xiàn)，這種激光束能安全地切割高爆炸藥。該實驗室的洛斯克說飛秒激光有希望作為一種冷處理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮彈及其他武器?！憋w秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改變其重要的生物化學(xué)特性。生物醫(yī)學(xué)專家已將它作為超精密外科手術(shù)刀，用于視力矯正手術(shù)，既能減少組織損傷又不會留下手術(shù)后遺癥，甚至可對單個細(xì)胞動精密手術(shù)或者用于基因療法。目前人們還在研宄如何將飛秒激光用于牙科治療。有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，利用超短脈沖激光能去掉牙的一小塊，而不影響周圍的物質(zhì)。我們相信，隨著超短脈沖激光技術(shù)的進一步發(fā)展以及具有高可靠性的商用飛秒激光器的進一步完善，飛秒激光一定會在更多領(lǐng)域獲得更為廣泛的應(yīng)用。
[0007]但是，應(yīng)該說穩(wěn)定性和價格是限制飛秒激光廣泛應(yīng)用的兩個主要因素，一方面，由于飛秒激光產(chǎn)生的原理決定了其對周圍環(huán)境因素比較敏感，僅僅是溫度和濕度的略微變化便會而導(dǎo)致輸出功率降低大幅降低，更不用說由于飛秒激光諧振腔內(nèi)調(diào)節(jié)架和平移臺的蠕動所帶來的影響。另一方面，飛秒激光器的調(diào)試十分困難，需要專業(yè)人員進行大約三周的調(diào)試時間，這是飛秒激光器成本高的一個主要原因。本發(fā)明正是針對上述問題提出的一種飛秒激光振蕩器調(diào)節(jié)方法，目的在于提高飛秒激光振蕩器的穩(wěn)定性和降低飛秒激光器的裝配成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服飛秒激光振蕩器的裝配難點，提供一種調(diào)節(jié)方法，在提高調(diào)試效率的同時提高飛秒激光器的穩(wěn)定性。
[0009]本發(fā)明的飛秒激光振蕩器包括I臺532nm泵浦源，2個532nm反射鏡、I個聚焦透鏡、I個飛秒激光諧振腔，其中，飛秒激光諧振腔包括2個凹面鏡、I塊鈦寶石晶體、2個棱鏡、4個全反射鏡、I個輸出鏡，其具體調(diào)試步驟如下:
[0010]I)對所有的反射鏡片及輸出鏡進行預(yù)裝配，將反射鏡片及輸出鏡焊接到鏡架上，并且在預(yù)裝配時，保證所有的鏡片都有同樣的中心高度，并且鏡片的反射面與水平面垂直；
[0011]2)將焊接好的鏡片按照設(shè)計固定到振蕩器的底板上，用3個五維可調(diào)節(jié)的工裝分別加持聚焦透鏡和2個凹面鏡，放置到設(shè)計的預(yù)訂位置上，五維可調(diào)節(jié)工裝可進行前后、左右、上下、俯仰、偏擺調(diào)節(jié)；其中，五維可調(diào)節(jié)工裝可以由3個平移臺和I個調(diào)節(jié)架組成，3個平移臺拼裝到一起實現(xiàn)上下、左右、前后調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)架固定在平移臺上，實現(xiàn)俯仰和偏擺調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)架與鏡架之間通過懸臂固定；
[0012]3)利用2個532nm反射鏡和I個聚焦透鏡，將532泵浦光聚焦到激光晶體中，對激光晶體進行泵浦，仔細(xì)調(diào)節(jié)飛秒激光諧振腔內(nèi)所有鏡片的偏擺，使得飛秒激光諧振腔輸出連續(xù)激光；
[0013]4)利用3個五維工裝，仔細(xì)調(diào)節(jié)透鏡和兩個凹面鏡的距離，使得飛秒激光腔內(nèi)輸出正確的激光模式，仔細(xì)調(diào)節(jié)輸出鏡的偏擺，使得激光輸出功率最大；
[0014]5)給整個飛秒激光諧振腔一個擾動，啟動鈦寶石的自鎖模效應(yīng)，使得飛秒激光振蕩器由連續(xù)輸出變?yōu)轱w秒脈沖輸出。這種擾動可以通過輕推棱鏡產(chǎn)生，也可以通過突然改變?nèi)瓷溏R的前后位置產(chǎn)生
[0015]6)固定3個五維調(diào)節(jié)工裝，將I個聚焦鏡、2個凹面鏡焊接到對應(yīng)的鏡架上，完成整體調(diào)試。
[0016]7)整體調(diào)試完畢后，用一個密閉的殼體，將泵浦源和飛秒激光諧振腔密閉在一個空間內(nèi)。
[0017]其中，焊接鏡片的鏡架包含鏡片固定裝置、熱敏電阻(PTC)、底座三個部分，其具體的焊接步驟為:將鏡片用高溫膠粘接到鏡片固定裝置上；將底座通過螺釘固定到光學(xué)平臺上，并通過高溫焊錫將PTC焊接到底座上；利用工裝調(diào)節(jié)鏡片固定裝置到正確姿態(tài)，并將鏡片固定裝置懸浮在PTC上方；在PTC和鏡片固定裝置之間填涂低溫焊錫，給PTC通電，將焊錫熔化；撤去PTC上的電壓，焊錫自然冷卻，鏡片固定裝置通過PTC焊接到底座上。
[0018]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于:
[0019]首先，所有的鏡片均通過焊接方式裝配，減少了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)鏡架蠕動給激光器穩(wěn)定性帶來的影響，極大的提高了整個激光器的穩(wěn)定性。
[0020]其次，通過五維調(diào)節(jié)工裝和焊接技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了 I個聚焦鏡和2個凹面鏡之間距離的調(diào)節(jié)，摒棄了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)技術(shù)中直接采用平移臺或其它精密調(diào)節(jié)裝置固定聚焦鏡和凹面鏡的方法，既提高了穩(wěn)定性，又降低了生產(chǎn)升本。
[0021]最后，整個調(diào)試步驟不再采用逐個鏡片焊接裝配的工藝流程，可以分為預(yù)安裝步驟和精細(xì)調(diào)節(jié)步驟兩部分，