在激光微加工應(yīng)用中，短脈沖提供精確的高平均功率，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的處理速度，而高能量則提高了加工吞吐量。短脈沖可以容易地實(shí)現(xiàn)，但是在能量或平均功率方面的提升更具挑戰(zhàn)性。例如，光纖內(nèi)的非線性效應(yīng)限制了放大期間的峰值功率。

在短脈沖或超短脈沖(USP)激光器中實(shí)現(xiàn)更高功率的公認(rèn)解決方案，是通過(guò)主振蕩器功率放大器(MOPA)架構(gòu)，使用各種技術(shù)和材料來(lái)影響放大。下一代 USP 激光器依賴于新穎的基于光纖的架構(gòu)，以克服傳統(tǒng)塊體和光纖放大器的不足。

放大比較

由于在增益介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈畸變的熱透鏡效應(yīng)，塊體晶體放大器受到光束退化的影響。由于這個(gè)基本限制，高功率放大器的幾何形狀已經(jīng)發(fā)展演進(jìn)，以改善這些材料內(nèi)部的熱管理。

由于增益介質(zhì)的厚度較薄(約 100μm)，薄碟片單程的增益有限。因此，只能通過(guò)多程或再生技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效放大。

多程放大器使用精細(xì)的光路使光多次穿過(guò)激光晶體，而再生放大器則使用昂貴的電光調(diào)制器作為復(fù)雜光束切換過(guò)程的一部分。盡管存在缺點(diǎn)，但是薄片放大器可以產(chǎn)生非常高的千瓦級(jí)輸出功率，并且是最終放大級(jí)的理想選擇。

雖然由于其高增益，可以在板條放大器中實(shí)現(xiàn)高達(dá)千瓦級(jí)的極高平均功率，但所使用的之字形光路會(huì)引入橢圓度并降低光束質(zhì)量。

除了用于產(chǎn)生短脈沖的塊體替代方案之外，基于光纖的放大器通常使用大模場(chǎng)面積光纖(LMA)或大模場(chǎng)面積光子晶體光纖(PCF LMA)，而棒狀 PCF 可實(shí)現(xiàn)更高的峰值功率。

市售光纖的最大芯徑為 85μm，傳播模式為 650μm，即使摻雜水平較高，長(zhǎng)度也約為 1m。超大纖芯和極低數(shù)值孔徑的光纖設(shè)計(jì)，輸出衍射極限光束，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積較大，靈活性降低。

引導(dǎo)泵浦和引導(dǎo)激光模式之間的重疊，產(chǎn)生良好的光學(xué)效率?？梢詫?shí)現(xiàn)平均功率高達(dá) 200W、光束質(zhì)量良好的輸出 ;盡管在更高功率下，熱光效應(yīng)可以顯著影響波導(dǎo)機(jī)制。這些擾動(dòng)導(dǎo)致 LMA 光纖在高功率下還支持高階模式，這使得光束質(zhì)量劣化，并最終使輸出光束在毫秒級(jí)上波動(dòng)(橫模不穩(wěn)定性)。在工業(yè)激光系統(tǒng)中，棒狀光纖的峰值功率通常限制在 1MW 左右，以避免非線性效應(yīng)。

在飛秒光纖激光器中，啁啾脈沖放大(CPA)減緩了這一局限性，并能實(shí)現(xiàn)基于 400μm 纖芯柔性 PCF 光纖的高功率系統(tǒng)。然而，峰值功率限制迫使采用相應(yīng)的壓縮器實(shí)現(xiàn)大的展寬比，這又增加了成本和系統(tǒng)尺寸。

單晶光纖

單晶光纖(SCF)通常為單晶釔鋁石榴石(YAG)，長(zhǎng)度大，直徑小，導(dǎo)光性能好。

激光加熱基座生長(zhǎng)(LHPG)技術(shù)可以生產(chǎn)小直徑光纖( 約1000μm)，并且通過(guò)不斷改進(jìn)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與用于高平均功率激光系統(tǒng)的經(jīng)典光纖類似的纖芯 / 包層結(jié)構(gòu)。然而，這種結(jié)構(gòu)的制造是尚未實(shí)現(xiàn)的艱難挑戰(zhàn)，特別是在需要維持線偏振的情況下。盡管與傳統(tǒng)光纖相比，相互作用長(zhǎng)度減小，但是在任何情況下，所得到的結(jié)構(gòu)在高峰值功率脈沖方面仍然受到與石英光纖相同的限制，并且由于 YAG 材料更高的非線性性質(zhì)，這些問(wèn)題將進(jìn)一步惡化。顯然，這并不是超快高功率放大器的解決方案。

采用微下拉技術(shù)，已經(jīng)生產(chǎn)了直徑為 1~2mm 的較大 SCF，能夠維持兆瓦峰值功率，使其成為高能量短脈沖放大的理想選擇。

SCF放大器

用于放大的優(yōu)選配置使用直徑1mm、長(zhǎng)度約 30~50mm 的摻釹或摻鐿的 YAG SCF。Yb ：YAG 介質(zhì)是 USP激光系統(tǒng)的首選，因?yàn)樗哂懈蟮奈蘸桶l(fā)射帶寬、更高的上激光能級(jí)壽命和每單位泵浦功率較低的熱負(fù)荷。

商業(yè) SCF 放大器，如 Taranis 激光增益模塊，使用一種特定的泵浦方案：泵浦光束聚焦在晶體內(nèi)部(而不是其表面上)直徑為 400μm 的點(diǎn)處，并且深度足以使放大器輸出最大化。然后通過(guò)全內(nèi)反射引導(dǎo)高度發(fā)散的光束，并在增益介質(zhì)中重新聚焦(見(jiàn)圖 1)。

根據(jù)泵浦的亮度，泵浦的初始聚焦點(diǎn)沿光纖長(zhǎng)度成像數(shù)次。為了獲得優(yōu)異的光束質(zhì)量，泵浦光束在增益介質(zhì)中傳播時(shí)與激光束保持共線，從而避免了出現(xiàn)在板條或薄碟片中的離軸像差，如像散。

與塊體晶體相比，摻雜水平通常低一個(gè)數(shù)量級(jí)，而長(zhǎng)度通常大一個(gè)數(shù)量級(jí)。沒(méi)有泵浦導(dǎo)，由于泵浦的高度發(fā)散，這些差異是無(wú)效的。然而，通過(guò)泵浦導(dǎo)引，這種大長(zhǎng)度 / 低摻雜程度比，使得沿著晶體光纖整個(gè)長(zhǎng)度的泵浦吸收增加，從而降低了增益介質(zhì)中的熱應(yīng)力。

MOPA 配置中的單晶光纖，已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)證明了它們的效率和靈活性。實(shí)際上，F(xiàn)ibercryst 公司生產(chǎn)的Yb ：YAG SCF 增益模塊在 940nm下被泵浦到 600W，沒(méi)有損壞，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通常塊體晶體的典型泵浦水平。

冷卻在數(shù)百瓦的泵浦功率下的 1mm 直徑 YAG 棒并不容易，但Tarranis 模塊完成了這一壯舉，該技術(shù)專利是由 Fibercryst 公司和 CNRS Laboratoire Charles Fabry(LCF) 公司的專利實(shí)現(xiàn)的，將晶體光纖直接集成入金屬底座。冷卻效率非常高，熱交換系數(shù)為 5W/cm2/K，比典型的銦壓方案高 5 倍(見(jiàn)圖 2)。

泵浦晶體光纖中的熱梯度是徑向?qū)ΨQ的，即使在高功率下也能保證優(yōu)異的光束質(zhì)量。已經(jīng)展示了 140W 的高平均功率，這還沒(méi)有達(dá)到 SCF 技術(shù)的極限。

高平均功率和高能量

在棒狀放大器中，激光模式的典型表面為 3000μm2。包括自相位調(diào)制(SPM)或拉曼干涉在內(nèi)的非線性效應(yīng)，會(huì)在高峰值強(qiáng)度在長(zhǎng)相互作用長(zhǎng)度下的如此小的表面?zhèn)鞑r(shí)，迅速出現(xiàn)。

然而，在典型的 SCF 放大器中，由激光模式覆蓋的表面大 50 倍，因此可實(shí)現(xiàn)高得多的峰值功率。高增益、小長(zhǎng)度和大光束直徑的組合已經(jīng)展示了大約 30dB 的小信號(hào)增益，以及高達(dá) 50MW 的峰值功率。

作為改進(jìn)的“塊體晶體”放大器，SCF 技術(shù)保持了通常塊體放大器的所有優(yōu)點(diǎn)，特別是它們?cè)谠S多不同的重復(fù)頻率、脈沖持續(xù)時(shí)間和種子功率下獨(dú)立運(yùn)行的能力。可以使用相同的 SCF 放大器，無(wú)需調(diào)整，放大從幾千赫茲至≥ 20MHz 的脈沖種子激光，或從幾十納秒到幾百飛秒的種子激光。已經(jīng)成功地展示了從幾百毫瓦的種子功率放大到幾十瓦(見(jiàn)圖 3)。

典型的工業(yè)單程 Yb ：YAG SCF放大級(jí)，只有六個(gè)光學(xué)元件組。這與碟片或板條技術(shù)相比是有利的。SCF 放大器已經(jīng)與各種種子激光器一起使用，以顯示設(shè)置的靈活性和簡(jiǎn)單性。例如，我們報(bào)告一種基于 SCF 和分離脈沖放大(DPA)設(shè)置聯(lián)用的架構(gòu)，專用于高能量，能以 12.5kHz 的重復(fù)頻率提供能量為 2mJ 的 6ps 脈沖。

對(duì)于高平均功率應(yīng)用，已經(jīng)獲得了具有 20MHz 重復(fù)頻率和 750fs 脈沖寬度的無(wú) CPA 的 100W 系統(tǒng)。在兩種配置中，輸出光束質(zhì)量?jī)?yōu)異，M2值小于 1.2。