[发明专利]一种新型光子晶体光纤激光加工机

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，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。

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，它们共同缺点是体积庞大，价格昂贵，重复频率较低（ l-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 小组报道了利用掺镜的 PCF 作为增益介质实现了 13lw 、 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 40Ofs 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。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足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，获得飞秒一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，是由大模场的掺镜离子或饵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 1-1Om ，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，包括大模场的掺镜离子或饵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 - 1Om ，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。

上述激光多倍频装置为偏硼酸钡（ BBO ）和三硼酸锂（ LBO ）晶体或周期极化非线性晶体进行多倍频变换。

上述的准直和聚焦系统，采用石英非球面镜聚焦光学系统，实现紫外激光的准直和聚焦。

本发明的优点在于：