[发明专利]高重复频率光子晶体光纤紫外超短脉冲激光加工机

说明书

技术领域

本发明涉及一种高重复频率光子晶体光纤紫外超短脉冲激光加工机，属于激光技术领域。

背景技术

激光微加工已经成为MEMS制造中的主要工具。但是这些长脉冲激光加工的热效应严重影响了其在微细加工中的加工精度。而超短脉冲激光微加工具有较小的热效应积累，因此比连续或长脉冲激光微加工的精度更高，尺寸更小。同时具有紫外波长的超短脉冲激光的光子能量高，能够达到材料的化学键能，可直接进行剥离加工而没有热交换发生，这对于生物芯片的加工十分有利；加之，波长越短衍射极限就越小，因此更具有精细加工方面优势。所以紫外超短脉冲激光器是进行高精度微加工的理想工具。然而，目前在MEMS制作领域中紫外激光微加工技术采用的三类激光器：准分子激光器、LD泵浦的固体激光器

(DPSS)和钛宝石激光器[1，2]，它们共同缺点是体积庞大，价格昂贵，重复频率较低(1-50KHz)；准分子激光器的脉宽较宽(仅在ns量级)，调Q的固体激光器脉宽在ns或ps量级；还有，准分子激光器中高纯气体工作介质的有限寿命带来高昂的后续运转费用和气体工作介质有毒等缺陷。这些都限制了该类激光器在微加工中获得更高的加工精度和应用空间。

光子晶体光纤(PCF)于1996年由英国巴斯大学研制成功，由于它具备许多普通单模光纤所没有的特性，所以对PCF的研究成为热点，并在光通信、量子信息、传感器和激光器等方面得到了应用。2005年，德国Limpert小组报道了利用掺镱的PCF作为增益介质实现了131W、220fs的激光放大运转。同年，德国的M.Moenster小组报道了利用掺钕的PCF为增益介质实现了400fs的激光振荡级输出，从此开始了PCF飞秒激光器研究的新趋势、新潮流[3]。

参考文献

[1]C.Molpeceres，S.Lauzurica，J.J.García-Ballesteros，M.Morales，J.L.“先进的紫外激光3维微加工技术”，微电子工程，2007年，第84卷，第1337-1340页。

[2]D.Gomez，I.Goenaga，I.Lizuain，M.Ozaita，“飞秒激光加工微流体”，光学工程，2005年，第44卷，第051105页。

[3]J.Limpert，F.Roser，T.Schreiber，A.Tunnermann，“高功率超快光纤激光系统”，国际电力和电子工程学会期刊“量子电子学选择题目”，2006年，第12卷，第233-244页。

发明内容

本发明旨在提出一种高重复频率光子晶体光纤紫外超短脉冲激光加工机，该加工机具有重复频率高，结构简单，稳定性好，运行费用低，光束质量高，脉宽窄和高功率的优点。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种高重复频率光子晶体光纤紫外超短脉冲激光加工机，其特征在于，该加工机包括光子晶体光纤的或固体的飞秒激光振荡级1、高功率大模场光子晶体光纤激光放大器2、激光多倍频器3、准直和聚焦系统4、精度为纳米量级的精密三维微位移平台5和计算机控制系统6构成，装置中各部件的连接关系为，飞秒激光振荡器产生飞秒孤子或者自相似脉冲，作为大模场光子晶体光纤激光放大器的种子脉冲，经过放大和脉冲压缩后形成高重复率、高功率的飞秒级脉冲序列，然后进行多倍频，获得飞秒-皮秒量级的高重复频率的紫外激光；紫外激光经过准直和聚焦系统导入到加工件；加工件放置在精密三维微位移平台上，其行程由计算机系统控制，计算机还提供加工光源与加工件的同步控制。

上述的光子晶体光纤飞秒激光振荡器，是由大模场的掺镱离子或铒离子的双包覆光子晶体增益光纤、半导体可饱和吸收镜和偏振旋转(NPE)混合锁模器、光栅对或大负色散光纤色散补偿器构成。其中光子晶体增益光纤的芯径为10-50微米，数值孔径NA为0.02-0.06，外包层直径200-400微米，数值孔径NA为0.4-0.8，长度为1-10m，包层泵浦为5-30W的高功率激光二极管。通过调节腔内色散补偿器，该振荡器分别运行在孤子型、呼吸型和自相似型运转状态。

上述的高功率大模场光子晶体光纤激光放大器的放大级为1-3级放大，每级放大，包括大模场的掺镱离子或铒离子的双包覆光子晶体增益光纤、光栅对或大负色散光纤色散补偿器构成，其中光子晶体增益光纤的芯径为20-100微米，数值孔径NA为0.02-0.06，外包层直径200-400微米，数值孔径NA为0.4-0.8，长度为1-10m，包层泵浦为20-100W高功率激光二极管，放大器在振荡级与放大器之间和放大级各级之间都设置偏振法拉第隔离器。