引言

隨著飛秒激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，其在透明介質(zhì)內(nèi)部的微加工應(yīng)用也日益廣泛。近期南安普頓大學(xué)光電研究中心的Yuhao Lei等人發(fā)表在《Optics Letters》上的一篇研究文章揭示了脈沖時間對比度（pulse temporal contrast）在飛秒激光寫入中的關(guān)鍵作用。本文主要比較了Yb:KGW全固態(tài)激光器與Yb光纖激光器在不同時間對比度下的寫入效果，可以為激光加工行業(yè)提供新的參考。

在現(xiàn)代激光技術(shù)領(lǐng)域，選擇合適的激光器對于確保科研和工業(yè)應(yīng)用的效率至關(guān)重要。摻鐿鎢酸釓鉀（Yb:KGW）全固態(tài)激光器和摻Y(jié)b光纖激光器都是高性能飛秒激光光源，但它們在應(yīng)用中的表現(xiàn)各有特點。以下是這兩種激光系統(tǒng)的詳細比較分析，特別關(guān)注于它們的激光系統(tǒng)、實驗參數(shù)、時間對比度測量、以及寫入實驗的效果、能量閾值要求等。

實驗設(shè)計

激光系統(tǒng)

Yb:KGW全固態(tài)激光器（型號Pharos，由Light Conversion Ltd. 生產(chǎn)）：這種激光器因其高時間對比度和能夠在寬泛的參數(shù)范圍內(nèi)進行精確的材料加工而受到青睞。

摻Y(jié)b光纖激光器（型號Satguma，由Amplitude Systems 生產(chǎn)）：這種激光器以其緊湊的設(shè)計和相對較高的功率上限著稱，適用于需要重復(fù)高頻率操作的應(yīng)用。

兩種激光器在相同的波長(1030 nm)、脈沖持續(xù)時間(270-500 fs)、重復(fù)頻率(100 kHz至1 MHz)和脈沖能量(450 nJ至1 µJ)下進行測試。

時間對比度測量：用高動態(tài)范圍自相關(guān)儀（pulseCheckSMType2，APE）測量脈沖時間對比度。

寫入實驗：激光束通過0.16或0.4 NA非球面透鏡聚焦在合成石英玻璃基板表面以下170 μm處。使用帶有雙折射測量系統(tǒng)的顯微鏡分析激光誘導(dǎo)的修改。

Yb:KGW全固態(tài)激光器和Yb光纖激光器的加工效果比較

1.脈沖時間對比度

研究發(fā)現(xiàn)，脈沖時間對比度是影響透明介質(zhì)內(nèi)激光寫入效果的關(guān)鍵參數(shù)。高對比度脈沖可以更有效地控制能量沉積和材料修改，而低對比度脈沖則在特定應(yīng)用中表現(xiàn)更優(yōu)。

Yb:KGW全固態(tài)激光器的脈沖時間對比度約為10^7，而Yb光纖激光器的對比度僅為10^3。這意味著Yb光纖激光器的脈沖包含一個持續(xù)約200 ps的次納秒脈沖,占總能量的32%，這會顯著影響能量的傳遞和材料的修改效果。

圖1 在100到1000 ps的時間范圍內(nèi)，Yb:KGW 和光纖激光器發(fā)出的300 fs脈沖的時間對比度。(a)兩種激光器在500 kHz重復(fù)頻率下的對比度比較。(b)光纖激光器在不同重復(fù)頻率下的對比度

2.寫入效果對比

Yb:KGW全固態(tài)激光器：能在更廣的參數(shù)范圍內(nèi)寫入各類結(jié)構(gòu)，包括各向異性結(jié)構(gòu)（typeX）和各向同性結(jié)構(gòu)（type1）。在Np<20時無明顯雙折射，在20<Np<150時出現(xiàn)typeX雙折射體素（納米孔結(jié)構(gòu)），在Np>150時開始出現(xiàn)type 2 m修改（層狀雙折射結(jié)構(gòu)）。

Yb光纖激光器在相同參數(shù)下表現(xiàn)不如Yb:KGW激光器。尤其是在Np<40時幾乎無任何材料修改，而在40<Np<300時則能形成強度大約是Yb:KGW激光器1.5倍的type 2 m層狀雙折射結(jié)構(gòu)。

圖2 激光寫入體素的雙折射和光學(xué)圖像：用（a）和（b）Yb:KGW全固態(tài)激光和（c）Yb光纖激光寫入的雙折射體素的俯視圖。拍攝了壓印體素的雙折射圖像（左）和相應(yīng)的光學(xué)透射圖像（右）。（d）不同體素的側(cè)視雙折射圖像。紅色箭頭表示激光束的偏振，偽彩色（插圖）表示慢軸的局部方向。（a）和（c）的處理條件：1030 nm波長，300 fs脈沖持續(xù)時間，700 nJ脈沖能量，500 kHz重復(fù)頻率，1-500個脈沖數(shù)（Np），通過0.16 NA鏡頭聚焦

3.能量閾值要求

能量閾值是指實現(xiàn)材料修改所需的最小脈沖能量。Yb:KGW全固態(tài)激光器對材料修改的能量閾值約為450-900 nJ，低于Yb光纖激光器的700 nJ閾值。由于Yb:KGW激光器的高對比度脈沖能夠更有效地在材料中沉積能量，因而在更低的能量閾值下即可實現(xiàn)材料修改。而Yb光纖激光器由于次納秒脈沖部分的存在，需要更高的能量閾值才能實現(xiàn)同樣的效果。這意味著Yb:KGW激光器在較低能量水平下具有更高的效率和更好的性能，從而實現(xiàn)更經(jīng)濟和高效的微加工過程。

圖3 兩種激光器中雙折射體素的延遲與寫入脈沖數(shù)的關(guān)系。脈沖能量（a）700 nJ、（b）800 nJ處理條件：入射波長=1030 nm，脈沖寬度=300 fs，重復(fù)頻率=500 kHz，0.16 NA 透鏡

4.結(jié)構(gòu)均勻性和精度

結(jié)構(gòu)均勻性和精度對于高要求的材料加工應(yīng)用至關(guān)重要。Yb:KGW全固態(tài)激光器可以提供更均勻和精確的修改，這對于需要高保真度的材料加工應(yīng)用尤為重要。其高時間對比度和能量效率有助于生產(chǎn)一致且定義明確的結(jié)構(gòu)。而Yb光纖激光器由于其基座能量，通常會導(dǎo)致修改的不均勻，并可能引起不希望的材料變化，使其在高精度應(yīng)用中不太可靠。

結(jié)論

根據(jù)實驗效果我們可以總結(jié)透明材料的修改不僅由脈沖持續(xù)時間和能量決定，也會受脈沖對比度的影響。高對比度脈沖（如Yb:KGW全固態(tài)激光器）在修改性能上表現(xiàn)更優(yōu)，而低對比度脈沖（如Yb光纖激光器）更適合生成特定類型的雙折射結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)可能需要對過去二十年來利用光纖激光器在透明材料中進行微加工的研究數(shù)據(jù)進行重新解讀。

Yb:KGW全固態(tài)激光器因其高對比度和能夠在更廣的參數(shù)范圍內(nèi)有效修改材料而被視為更適合精細加工的選擇。相比之下，Yb光纖激光器雖然在特定條件下可以產(chǎn)生強烈的雙折射結(jié)構(gòu)，但其較低的時間對比度限制了其應(yīng)用的廣度。這些發(fā)現(xiàn)提供了重新評估和優(yōu)化使用光纖激光器進行透明材料加工的方法的可能性，尤其是在需要精確控制能量傳遞和修改效果的高端應(yīng)用中。

參考文獻：

《Controlling ultrafast laser writing in silica glass by pulse temporal contrast》

Yuhao Lei, Huijun Wang, Gholamreza Shayeganrad, Yuri Svirko, and Peter G. Kazansky, Opt. Lett. 49, 2385-2388 (2024) 

文章來源：上海鐿鐳飛秒激光

注：文章版權(quán)歸原作者所有，本文僅供交流學(xué)習(xí)之用，如涉及版權(quán)等問題，請您告知，我們將及時處理。