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新型电驱动有机半导体激光器,可用于光谱学、计量学和传感领域

据麦姆斯咨询报道,近日,英国圣安德鲁斯大学(University of St. Andrews)的科学家表示,他们在开发紧凑型有机半导体激光器技术的数十年挑战中取得了“重大突破(significant breakthrough)”。首先制造了一种光输出创世界纪录的OLED,然后将其与聚合物激光器结构集成。这种新型激光器发射由短光脉冲组成的绿色激光束。


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电驱动有机半导体激光器结构

刊登于《自然(Nature)》期刊上的论文解释了圣安德鲁斯大学的科研团队如何克服低电流密度和“将电荷注入增益介质导致的无法容忍的损耗”等常见有机半导体问题。

该论文指出:“科研人员通过开发一种集成器件结构来实现损耗的减少,该结构可以有效地将具有极高内部光生成能力的OLED与聚合物分布式反馈激光器结合起来。在集成结构的电驱动下,可以观察到光输出与驱动电流的阈值,具有窄发射光谱并在阈值之上形成激光束。”

研究结果提供了一种以前从未被证明过的有机电子器件,并表明OLED的间接电泵浦是实现电驱动有机半导体激光器的一种非常有效的方法。这为可见光激光器提供了一种方法,可以在光谱学、计量学和传感领域得到应用。

该论文的结论是:“科研人员已经展示了一种集成器件方法,可以在有机半导体中实现电驱动激光器,从而解决了有机光电子学中的一个重要挑战。这种方法克服了有机或混合钙钛矿激光器直接电注入尝试中常见的主要困难,同时保留了工作优势。”



来源 : MEMS、面包板社区-芯语 发布时间 : 2023-10-07

科学家利用玻璃造出飞秒激光器

商业飞秒激光器是通过将光学元件及其安装座放置在基板上制造的,这需要对光学器件进行严格对准。那么,是否有可能完全用玻璃制造飞秒激光器?据最新一期《光学》杂志报道,瑞士洛桑联邦理工学院的科学家成功做到了这一点,其激光器大小不超过信用卡,且更容易对准。


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科学家在玻璃基板上制造了千兆飞秒激光器。图片来源:瑞士洛桑联邦理工学院

研究人员表示,由于玻璃的热膨胀比传统基板低,是一种稳定的材料,因此他们选择了玻璃作为衬底,并使用商用飞秒激光器在玻璃上蚀刻出特殊的凹槽,以便精确放置激光器的基本组件。即使在微米级的精密制造中,凹槽和部件本身也不够精确,无法达到激光质量的对准。换句话说,反射镜还没有完全对准,因此在这个阶段,他们的玻璃装置还不能作为激光器使用。

于是,研究人员进一步设计蚀刻,使一个镜子位于一个带有微机械弯曲的凹槽中,凹槽在飞秒激光照射时局部可扭动镜子。通过这种方式对准镜子后,他们最终创造出稳定的、小规模的飞秒激光器。

尽管尺寸很小,但该激光器的峰值功率约为1千瓦,发射脉冲的时间不到200飞秒,这个时间短到光都无法穿过人类的头发。

这种通过激光与物质相互作用来永久对准自由空间光学元件的方法可扩展到各种光学电路,具有低至亚纳米级的极端对准分辨率。



来源 : 科技日报 发布时间 : 2023-09-28

盘点激光切割6大常见应用领域

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来源 : 华俄激光 发布时间 : 2023-09-25

关于瓦级高功率锁模光纤激光振荡器技术的解读

全光纤结构的啁啾脉冲放大(CPA)系统得益于光纤器件特有的高集成度、高稳定性、易于标准化生产等特性,已被采纳为飞秒激光器的常用技术路线,广泛应用于基础科学研究、医疗卫生和工业制造等领域。



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全光纤结构的啁啾脉冲放大(CPA)系统作为飞秒光纤激光系统的前端信号光源,其提供的信号强度、时域频域特性决定了后续提升激光功率的光纤放大器的级数和复杂程度;一台高平均功率锁模激光振荡器作为CPA的种子源,其提供的高强度种子光信号不仅可以有效提升激光放大系统的输出信噪比,还有利于抑制放大自激辐射、提高激光增益介质的提取效率。然而,由于光纤波导的非线性特征,在光纤飞秒激光系统中获得稳定的高平均功率单脉冲序列输出,相比固态飞秒激光系统更具有挑战性。

目前,基于光纤的激光系统在不同的色散区域可以产生各种不同类型的超短脉冲,例如:在负色散区产生传统孤子,近零色散区产生自相似演化孤子,在全正色散区产生耗散孤子以及色散管理孤子。这是超短脉冲光纤激光系统中色散、非线性、增益和损耗等因素之间平衡的结果。当系统中的非线性相位累计超过一定水平时,非线性和群速度色散的共同作用将导致脉冲发生分裂,进而限制了输出功率的进一步提升。与其它类型锁模激光器相比,运转在全正色散区的耗散孤子锁模光纤激光器,由于孤子面积定理以及更强的非线性积累能力,理论上可以支撑更高的平均功率。

奥创光子致力于研发高输出功率超短脉冲光纤激光器,通过使用大模场面积双包层光纤作为锁模激光器的增益介质,并采用输出功率高达27W的976nm波长泵浦源,另外通过基于啁啾脉冲光谱滤波的双折射片实现全正色散耗散孤子脉冲整形,最终研发出尺寸规格为200×127×75 mm的结构紧凑型飞秒光纤激光种子源。该种子源的光路结构示意图如图1,腔内器件简洁,腔型布局紧凑,工程化热管理措施得当;在锁模自启动后,获得重复频率33MHz的锁模激光输出,激光平均输出功率达5.8W,其脉冲宽度为186fs,光谱范围覆盖1025~1055nm。

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图 1.  高功率锁模光纤激光器光路示意图
(HR:高反镜;ISO:隔离器;LD:半导体泵浦源;PLP:泵浦保护器;DM:双色镜;PSC:泵浦合束器;SF:光谱滤波器;  λ/2: 1/2波片;  λ/4: 1/4波片)

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图 2.  5.8 W激光光谱以及自相关曲线

为了追求更高功率更窄脉冲宽度的激光输出,奥创光子在上述已有的基础上不断改进和尝试,经过优化啁啾脉冲光谱滤波参数,激光输出功率和脉冲宽度两项指标均有提升。优化后的激光器能在锁模状态输出高达9 W的平均功率,脉冲宽度窄化至108 fs(图3)。由于使用的大模场光纤为保偏双包层单模光纤,输出激光束的M²因子为1.3,具备良好的光束质量。经多次测试该锁模光纤激光器在9 W的工作状态下1小时的功率波动,其RMS值均 < 0.4%,功率稳定性良好(图4)。

该全正色散耗散孤子光纤激光器具有结构紧凑、高稳定性、高信噪比等优势,并且启动简单,可以作为稳定的高功率种子源用于飞秒啁啾脉冲放大系统中,也能够独立地作为高功率激发光源用于高重复频率、低能量、窄脉宽应用的领域如生物医学成像、激光测量等。

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图 3 优化后激光器输出光谱及自相关曲线(平均功率9W)

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图 4 激光输出功率稳定性测试

奥创光子自2018年创立以来,公司已申请100余项专利,已掌握了高能高功率飞秒脉冲放大技术、啁啾体布拉格光栅色散补偿技术、波长转换等关键核心技术,结合自主设计制造的超快种子源、温度调谐式啁啾光纤光栅等核心器件已成功推出系列化飞秒激光器产品,并在国内率先实现工业领域批量出货,打破了该领域被国外产品长期垄断的局面。

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目前奥创光子不断迎合当前市场对于航天航空,新能源锂电,电子消费等高端精密行业的发展节奏壮大自身,不断为先进制造产业转型升级夯实基础,促进发展。


来源 : 奥创光子 发布时间 : 2023-09-13

激光扩束镜的参数、原理和产品选型

激光扩束镜能够改变激光光束直径、发散角和强度分布,常用于激光扫描、激光谐振腔、激光干涉测量或遥测应用中,以实现诸如降低光斑能量密度、降低特定距离下的光束直径、减小聚焦光斑尺寸、激光束尺寸补偿等功能,是激光系统中最广泛使用的组件之一。
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图1 福晶科技的非球面高倍率扩束镜

一、激光扩束镜的参数指标


波长:激光波长是指激光所发射出来光波的空间频率,主要的使用单位有nm和μm。扩束镜的波长针对所适用的激光器来设计,除非扩束镜本身是消色差的,否则不同的波长需选用不同的扩束镜。福晶科技的扩束镜波段涵盖紫外(193nm、266nm、355nm)、可见光(532nm、632.8nm)及近红外(1030nm、1064nm、1550nm),除此之外,也有一系列适用于宽波段的扩束镜产品。

功率密度或能量密度:单位面积内的光学功率/能量,通常使用单位为MW/cm²或J/cm²;单位面积下功率/能量越高,功率/能量密度越大。为了防止高功率/能量密度对激光系统元件的损伤以及空气电离,通常就会使用扩束镜放大光斑面积以减小密度,这时就要求扩束镜本身具有较高的损伤阈值。我司对于不同波段的扩束镜都有高损伤阈值要求,并配备损伤测试设备测试损伤阈值。

扩束镜的放大倍率:由物方透镜和像方透镜的焦距决定:
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扩束镜输出的发散角:与放大倍率成反比:
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发散角是描述扩束镜性能的重要指标之一。发散角是指光束在长距离传播后由于衍射而相对于束腰的扩散程度。光束发散角通常有激光的半角来定义,高斯光束的发散角(θ)定义为:
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其中,λ为激光波长,ω0激光束腰。

二、激光扩束镜的基本原理


激光扩束镜的原理与望远镜的原理类似,同属于无焦系统,平行光入射光学系统,并平行光出射。激光扩束镜可分为开普勒式和伽利略式两种。

开普勒式由两片正透镜组成,两个透镜的焦点重合,两个透镜的间隔约等于两个透镜的焦距之和。当准直光入射后将两透镜之间形成一个能量汇聚焦点,在这个焦点上设置小孔光阑,可以实现空间滤波,提高激光的品质,但在高功率应用中,可能会产生自聚焦以及空气电离的风险。
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图 2 开普勒式扩束镜设计

伽利略式结构由一个正透镜一个负透镜组成,两透镜间距为两焦距之差。相较于开普勒式,两个透镜的光焦度更小,结构更加紧凑,价格也更便宜。另外,由于正负透镜的球差效应相反,伽利略式可以减少一部分球差,更适用于大口径以及非旋转对称光束。伽利略结构内部没有聚焦点使其更适用于高功率激光应用。
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图 3 伽利略式扩束镜设计

三、福晶科技激光扩束镜的产品类型


1. 常规产品

福晶科技的常规扩束镜产品类型丰富且交付周期短,如常见波段266nm、355nm、532nm和1064nm的定倍不可调光束发散角扩束镜、定倍可调光束发散角扩束镜、1-3X倍、2-10X倍手动变倍扩束镜等。
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图 4  福晶科技的变倍扩束镜

2. 定制产品

福晶科技还可根据客户的应用需求,提供定制化的光束扩束与整形的解决方案。比如高倍率扩束镜、消色差扩束镜、非球面扩束镜、柱面扩束镜、电动变倍扩束镜、水冷扩束镜以及匀光准直扩束镜等等。

1) 在3D打印机和激光扫描中使用扩束镜时要求光斑连续可调,得益于福晶科技工程师团队成熟的电机编程与优良的机械设计水平,公司可提供电动变倍扩束镜与水冷变倍扩束镜两类产品。变倍扩束镜能实现在固定距离内对光斑尺寸的调整;而增加水冷结构能够减少在高功率激光下镜片的热效应。

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图 5 福晶科技的电动变倍扩束镜

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图 6 福晶科技的水冷变倍扩束镜

2) 在要求光束准直的前提下需对光斑形状做出优化,通常我们会采用柱面透镜或者非球面透镜方案对光斑的快慢轴尺寸进行优化。

柱面扩束镜方案中,柱面透镜将扩展光束较窄的尺寸即光束慢轴,其优势在于聚焦慢轴尺寸的同时不会放大光的正交分量。两轴发散角与焦距的关系式为:
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图 7  福晶科技的柱面扩束镜

非球面扩束镜方案基于福晶科技具有卓越的非球面加工与光学设计能力,为匀光准直镜的定制化提供了强有力的支持。

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图 8 福晶科技的非球面扩束镜

该方案在传统准直扩束的同时,对激光光束的能量分布进行均匀化。经匀光准直镜后的光线强度分布均匀,光斑能量分布接近平顶光束,使其在激光雕刻与焊接中,有着不俗的表现。


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图 9 匀光准直镜加入前后光线的光强分布

四、严格的质量管理


福晶科技注重产品的质量管控,确保每一件扩束镜产品出厂前都经过严格的生产和检测过程控制。

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图 10  福晶科技的Zygo测试平台

为保证扩束镜表面的质量,扩束镜的装配与检测全过程都在高度无尘的洁净室中完成;在检测环节,福晶科技会对扩束镜产品的光洁度、波前、光束质量等指标进行严格的检测与管控,所用的检测仪器包括但不限于Zygo测量平台、金相显微镜、自准直仪和光束分析仪等,力保客户能获得最佳的使用体验。




来源 : 福晶科技 发布时间 : 2023-09-11

大型激光装置脉冲波形调控技术

摘 要

精密高效的脉冲波形调控是大型激光装置满足惯性约束聚变实验需求的重要技术之一。脉冲波形生成原理是通过编辑任意波形发生器中每个子脉冲的电压值,经电光调制器转换为光脉冲强度形成任意形状的激光脉冲轮廓。在电光转换过程中,各子束响应过程并非线性且子束间存在个性差异。为实现此条件下精密高效的脉冲波形调控,制定并开发了基于闭环迭代思路的激光脉冲波形快速调控方法。实验结果表明,算法可在10 min内实现任意脉冲波形整形,并具备23∶1高对比度脉冲波形调控能力,调控精度均优于10% (rms),满足常规物理实验运行条件下对激光参数调控的精度和效率需求。


关键词

 高功率激光装置;脉冲整形;迭代算法


正 文

惯性约束聚变(ICF)采用激光装置产生的高能量激光脉冲作用于物质。不同实验的激光脉冲形状需求不同,且束间激光脉冲的一致性对精密物理实验成败至关重要。国外高功率激光装置,如美国国家点火装置(NIF)和法国兆焦耳激光装置(LMJ),均是由前端产生激光脉冲并进行时间轮廓整形,然后由预放大器和主放大器进行能量放大和空间扩束,最后经终端系统频率转换为三倍频光。为了实现所需的三倍频光时间脉冲轮廓,需要执行两步流程。首先,采用逆算模型从目标三倍频脉冲反演计算出预放段重频目标波形,然后在重频波形测量点与前端任意波形发生器之间进行闭环迭代。NIF采用的闭环方式是在波形幅度调制系统中用任意波形发生器对45 ns方波进行雕刻,并在迭代过程中引入了一个基于电压调整量变化的调整因子来应对非线性响应带来的问题。当波形闭环连续6次迭代的标准偏差优于设定阈值时,则满足收敛要求停止闭环。NIF子脉冲为300 ps的高斯电脉冲,为获得小于100 ps的上升沿,引入了方波调制器对激光脉冲边缘进行裁剪。此外,NIF子束间具有良好的一致性。通过开发软件、集成算法和策略,NIF实现了1 h自动闭环48个脉冲波形的能力。


其他在建或建成的大型激光装置同样迫切地面临精密波形调控能力的建设以满足物理实验需求。由于各个装置的个性差异,NIF装置的方式并不完全适用于其他装置。对于我国ICF激光装置来说,每个子束独立可调且具有明显增益差异。此外,任意波形发生器的子脉冲是100 ps的高斯电脉冲,能天然地产生更陡峭的上升沿和下降沿。针对我国装置的特性,需专门定制算法和策略,开发脉冲波形闭环软件。


本文介绍了我国ICF激光装置脉冲波形调控技术。在子束差异显著且电脉冲幅度转变为光脉冲幅度过程是非线性响应过程的场景下,通过开发算法、制定策略和软件,实现了适用于所有子束的高效率、高精度脉冲波形闭环调控能力。


Part.01

脉冲波形整形原理

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1.1  脉冲整形的响应原理和特性


脉冲波形整形过程是通过任意波形发生器产生许多脉宽为100 ps的单元电脉冲,电脉冲作用到电光调制器对光脉冲强度进行调节。当堆积不同数量、不同电压值的单元电脉冲时,即可产生不同形状的光脉冲。图1展示了电脉冲堆积与光脉冲输出的示意图。整形后的光脉冲再继续传输和放大。

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图1  脉冲堆积实现波形轮廓整形


由于器件、预放重频增益的差异,各路所表现出来的响应曲线并不相同。测试发现,即使在同一路中,不同数量的电脉冲堆积所产生的电光幅度响应也不同,如图2所示。也就是说,电脉冲相互间存在着级联效应,即对邻近的幅度响应产生贡献。但其响应过程仍存在着非线性响应的共性特征,在低电压区响应迟钝,在高电压区出现饱和效应。基于以上特性,很难用一个简单的响应函数来描述复杂的脉冲轮廓整形,因此,我们仍然采用基于闭环迭代的策略进行脉冲波形整形。

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图2  不同数量子脉冲堆积的电光响应曲线


1.2  脉冲整形的流程设计和算法   


图3是实现脉冲波形闭环整形的流程设计。首先,由任意波形发生器产生初始电脉冲序列,作用于电光调制器后生成初始光脉冲形状;初始脉冲经传输放大后在测量点由示波器捕获脉冲形状;之后由闭环软件计算目标波形和实测脉冲波形的差异;若此差异满足偏差要求,则输出该电压波形,若不满足,则根据差异完成电压调整,调整后的电压值再次加载到任意波形发生器上,直至实测脉冲波形满足要求。迭代流程中电压波形加载和计算时长通常在5 s内,脉冲波形采集时间通常可以控制在20s内,则单轮流程可控制在30 s内,按最多迭代次数20轮计,通常10 min内可完成一个脉冲波形调控。

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图3  脉冲波形闭环流程

         

闭环流程的核心是迭代算法,其基本思路是补偿偏差。假设电脉冲作用于电光调制器的过程是线性的,则在一个脉冲波形序列的第i个位置处应加载的电压


Vi=VmaxGi


式中:Gi是归一化目标波形位于第i个取样点处幅值;Vmax是任意波形发生器上最大可用电压;Vi是该位置点处应加载的电压。实际上,电光响应过程是非线性的,再加上邻近子脉冲的级联响应,其过程更为复杂。因此,测量波形与目标波形之间会存在响应的偏差,根据此偏差进行电压修正


ΔVi=k(Gi−Mi)VmaxGi


式中:Mi是归一化实测波形位于第i个取样点处幅值;k是引入的一个调整因子,用来提升迭代效率和精度。随着迭代结果逐渐逼近目标,调整因子的值也是动态调整的。依据大量调整经验和效果获得了图4中黑线所示的阶梯调整因子,其大多数时候使脉冲波形闭环迭代具有很好的收敛性,但当实测脉冲波形与目标波形偏差处于阶梯处时,收敛出现震荡。为此参考了图2的响应曲线,考虑将响应曲线的趋势结合到阶梯调整因子中,获得了图4中红线所示的优化后调整因子。且偏差量超过设定的图示范围时,调整因子直接取最大值。

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图4  调整因子随偏差量的取值变化


1.3  迭代过程中的脉冲波形对齐


当计算测量波形与目标波形的偏差量时,测量波形与目标波形之间必须实现一致的时序对齐,否则将导致下一轮偏差计算错位,进而打乱整个闭环流程。通常的波形对齐方式采用上升沿对齐、下降沿对齐或质心对齐。当脉冲波形没有陡峭的上升沿或者下降沿时,上升下降沿对齐是无效的。而质心对齐对正在调整的、时间积分面积不断变化的波形来说也不适用。本闭环流程中采用添加一个时间基准脉冲的方式,如图5所示,在任意波形发生器上与整形脉冲下降沿间隔1 ns的位置增加一个电脉冲,利用该电脉冲形成的高斯光脉冲的峰值确定整形脉冲波形时间窗口,实现与目标波形稳定的时序对齐。当闭环流程完成后存储电压波形时,去掉基准脉冲。         

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图5  利用基准时序脉冲对齐测量脉冲与目标波形


1.4  上升沿校正 


不同电缆在传输电信号过程中,响应性能不同,导致信号上升沿坍塌,在电光转换形成光脉冲轮廓时,光脉冲轮廓上升沿出现相应的坍塌,如图6所示。在闭环逼近目标波形的过程中,上升沿需进行过量校正。在此过程中,由于电脉冲序列首点左侧不存在其他电脉冲的级联耦合作用,首个电脉冲将会过度修正而使上升沿形成尖峰。

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图6  电信号经不同电缆传输后产生不同光脉冲响应


为了避免首个电脉冲过度修正,必须对其进行电压值干预。通过多次测试和优化,每一次迭代计算后,首个电脉冲的电压设置如下


V1=V2


式中:V1V2分别是第一、第二个子脉冲电压。


1.5  收敛判据


受限于光纤传输和空间光传输的各种效应,如幅频效应,测量条件和算法整形能力、整形输出脉冲波形与目标不可能完全一致,且脉冲波形迭代收敛到一定程度后出现震荡。脉冲波形收敛程度以测量波形与目标波形之间偏差的均方根(式(4))来表征,其值越小,收敛度越好。此外,由于上升下降沿在测量上的响应度不足,连续脉冲波形的第一个点和最后一个点以及整形脉冲波形的台阶处不计入均方根计算。目前采用的策略为设置固定的闭环次数,到达设定次数闭环即停止。每次迭代计算的电压值、均方根(rms)值均暂时存储,待闭环结束后,从中自动挑出rms值最小的电压值作为最终闭环输出。

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Part.02

实 验

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根据以上算法和策略,我们在装置上开展了大量测试,并开发了软件平台,形成应用。在图3所示的闭环流程中,任意波形发生器的可调电压范围为0~0.35 V, 电信号子脉冲脉宽100 ps,激光波长1053 nm,整形、放大后的重频脉冲采用光电探头和示波器测量。光电探头的波长响应范围为300~1100 nm,响应时间为60 ps,示波器采样率为8 GHz。闭环控制系统执行时,计算示波器测得的波形与目标波形偏差,通过式(2)修正后重新加载电压至任意波形发生器。闭环系统将重复此流程直至设定的闭环次数结束。图7是在装置三条不同子束中开展的不同形状的脉冲波形闭环,分别是指数波、整形波形和23∶1高对比度脉冲。每个脉冲波形设定了20次闭环,耗时约8 min,闭环结束后自动从中输出最优闭环结果。三种脉冲波形的最优闭环结果分别出现在第5次用时2 min、第20次用时8 min和第16次用时6 min,其rms值分别是2.98%、5.11%和8.29%。其中,指数波和整形波形是通过目标波形直接生成初始输入电压,测量噪声和幅频调制没有进行精密控制;而为了保障23∶1高对比度脉冲波形的闭环精度和效率,初始输入电压采用历史类似脉冲波形的电压加载、测量噪声和幅频调制均控制到最低后才进入闭环流程。

         

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图7  三种脉冲波形的闭环结果


从闭环结果来看,图7(a)和图7(b)都存在指数波形状部分,由于幅频调制的影响,图7(a)指数波部分偏差大于图7(b),图7(b)和图7(c)都存在脚平台部分,且图7(c)的脚平台更低,但由于对图7(c)的脉冲测量信噪比进行了优化,其脚平台偏差远远小于图7(b)。通常,为了获得脉冲波形整体rms优于10%的整形精度,10∶1左右的普通脉冲信噪比应控制在15∶1以上,幅频调制对比度需控制在0.1以下,20∶1以上高对比度脉冲波形应将信噪比控制到40∶1以上并消除调制。而调控效率会受到调控灵敏度影响,在图2所示的低电压和饱和电压区,调控能力迟钝。因此整形波形闭环次数多于简单脉冲波形,越高对比度的脉冲波形需要的闭环次数则更多。为了减少迭代次数,可以优化初始加载电压,如使用历史类似脉冲波形电压、抬升低平台电压、建立机器学习等方式。图7(c)的初始电压使用了历史类似脉冲波形的电压,大大减少了后续迭代次数。调控效率同时也受硬件、软件及使用策略的约束,如示波器采集时间、软件是否支持多子束并行等。软件和使用策略应基于操作可靠性和便捷性进行开发和制定,以实现高效脉冲波形整形。


Part.03

结 论

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基于ICF物理实验对激光参数多样性和复杂性的需求,以及装置各子路存在个性差异且独立可调的特点,本文中,开发了具有适应子束差异的波形迭代算法,可在10 min内实现10∶1对比度左右的任意波形整形,并具备23∶1高对比度波形调控能力,调控精度均优于10% (rms)。但对于更高对比度脉冲波形整形,需提升波形质量和测量条件,优化算法。通过流程和软件控制,算法可满足多子束并行的自动波形调控。


来源 : 《强激光与粒子束》2023年35卷第8期 发布时间 : 2023-09-04

蓝光激光,正在酝酿一场新的风暴

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蓝光的基本物理特性和激光器的设计特点,正带来前所未有的生产力。

蓝光激光,正在酝酿一场新的风暴。


过去2年疫情原因让很多人的空间移动受到限制,但无法受限的是人类与生俱来的奇思妙想和将其快速落地的能力。

众所周知,世人苦蚊子久矣,夏夜里的“挑灯夜战”是很多人痛的领悟。一个国外博士DIY了一个高端杀蚊方式——利用计算机视觉精准定位,然后再用激光的热量将其一举歼灭。要知道,这位博士所用的激光器正是功率在1W左右,450nm波长的蓝光激光器!

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“飞入寻常百姓家”的蓝光激光

作为一种生活态度,制作手工饰品在欧美风靡已久。而利用蓝光激光进行激光雕刻、打标、切割,是其非常重要的新兴市场。

特别是疫情以来,大家居家时间变得更多,家用消费品的需求也愈来愈大。而在国外,大家本就喜欢动手创作,如此,一个基于蓝光激光的DIY市场也随之发展起来,如今这股浪潮也正在影响国内。

在国内,DIY的习惯正从最早的发烧友渗透到年青一代生活的方方面面,DIY饰品、服饰、家居装饰代表着主人的审美与情趣。

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据悉,蓝光激光雕刻、打标、切割的原理是利用激光的高方向性、高强度,通过光学系统把激光光束聚焦在加工物品上面,使加工物品的表面受到强大的热能而温度急剧增加,从而使该点因为高温而迅速地融化或者气化。然后配合激光头的运行轨迹,从而实现基于激光的DIY雕刻等。

“在激光的雕刻等应用上,蓝光激光可以应用在非常多的材料,比如它适用各种金属、木材或者是我们平常穿的衣服布料以及各种类型的礼品,在其上刻上特殊的符号,会使这些物品显得更有意义,”艾迈斯欧司朗市场经理郑运强介绍道。

特别是相比于其他光源,蓝光激光可以实现更小的光学或者说系统尺寸,同时也可实现更低的系统成本。因此利用蓝光激光雕刻、打标、切割非常适合对系统成本要求较高,对系统的尺寸要求较高的 DIY 消费市场。

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金属3D打印的未来是蓝色的

“当然,随着技术的更加成熟,蓝光激光在工业市场的应用也会越来越多。”

特别是金属3D打印。

据悉,目前正在开发的蓝光激光技术,有望在金属3D打印中,实现更快的打印速度、更高的打印分辨率和更好的打印质量。

这正是由于金属的基本物理属性决定了其吸收电磁辐射的能力,而在数十种工业应用中重要的金属对蓝光的吸收能力要比红外光强得多。尤其是铜,它对蓝光的吸收能力是红外光的13倍。

金属3D打印在本质上是小范围的连续焊接,金属粉末相当于焊料。金属粉末吸收激光能量后熔化,使其与相邻材料相连。而激光3D打印之所以具有吸引力,是因为激光在众多应用中具有独特的优势——其可以灵活地、无接触地将能量传输到精确的位置。

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而铜、金、铝合金等高反射金属,为红外激光3D打印带来了2个挑战:

其一,当用高强度红外激光熔化金属粉末时,较小的粉末颗粒会大量被汽化,这就需要控制汽化颗粒的再沉积;

其二,如果使用环形激光,在激光作用之前粉末预热会浪费大量能量。

而正由于蓝光激光可以被大多数金属所吸收,因此只需较低能量即可实现可控的熔池,并将汽化降到最低。因此,与红外激光相比,蓝光激光3D打印能以较低的能量密度,打印更高密度的金属件。

就在去年,3D打印机制造商Essentium与工业激光器专家NUBURU宣布合作开发一种基于蓝光激光的新型金属3D打印机,且于今年6月完成了首批交付。新设备旨在实现工业级金属部件的高分辨率以及高吞吐量制造,项目将以“多年、数百万美元”的协议进行开发。据合作伙伴称,该系统将适用于汽车、航空航天和国防等各种关键行业。


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创新与突破

2017年,第一台与工业相关的蓝光激光器发布。

很快,它便证明了自身在材料加工方面的独特优势。

蓝光激光器可实现的功率密度的持续增长导致其处理的应用范围相应增长,这些范围从消费电子、电池制造、电子交通等领域一路扩张,每个应用空间都利用了蓝光的基本物理特性和激光器的设计特点,带来前所未有的生产力。

总的来说,蓝光激光器的采用是由2个主要特性驱动的:吸收的基本物理特性和提供高功率密度的激光设计。

对清洁能源的日益重视推动着用于高密度便携式储能锂离子电池的生产。

而要让锂离子电池充分普及,对金属材料铜的工业化加工尤为重要。但所有优良的导电材料同时也会传递热量,加上铜的高反射率,导致难以通过受控的方式来提供足够的能量使铜溶解。

正是这样的挑战,让蓝光激光在工业材料加工应用中脱颖而出。

自2017年问世以来,蓝光工业激光器的规格也在迅速提高,激光功率和亮度等关键指标快速提升,不断扩大其应用范围。早期的蓝光激光器多用于电池制造,众多的技术进步使蓝光激光可以与工业化的扫描系统集成,提高激光加工的质量和效率,因而促进消费电子的应用。而这些应用反过来又促进了电动汽车零部件连接工艺的发展,并将其应用于航空航天和医疗领域。

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艾迈斯欧司朗作为业内领先的光学解决方案厂商,对于蓝光激光的发展一直起着“奠基”和“推动”作用。“以大功率蓝光激光为例,我们推出了2个封装(TO56和TO90)的蓝光激光产品(如上图所示),光功率范围在2W-5W,均采用密封封装,具有业界最高等级的可靠性,”郑运强介绍道。

TO56封装产品,PLPT5 447KA,是中功率产品的最优选择,它的发光孔径非常小,只有15μm,因此可以提供一流的光束性能,非常适合需要耦合到光波导、光纤或者是需要高光功率密度的应用场合。

TO90封装产品,PLPT9 450LB_E,是高光功率密度产品,最高光功率可达5W,可以提供最佳的热阻跟性能,包括ESD保护,适合应用在高光功率密度的工业应用(非汽车应用)。

同时,艾迈斯欧司朗跟产业链上下游的合作也从未停止。

去年12月,激光器模块制造商Convergent Photonics基于艾迈斯欧司朗CoS封装形式的新型445nm蓝光激光二极管开发其最新激光器模块,这些激光器模块非常适用于高功率工业应用和中等功率医疗应用。

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今年1月初,全球领先的光学解决方案和光学设备制造商Crytur发布,其最新推出的MonaLIGHT激光模块是基于艾迈斯欧司朗的PLPT9 450LB_E这款蓝光激光二极管。

据悉,该模块能够提供LED技术无法达到的峰值光强,高达7000cd,在光通量1100lm时,电光转化效率至少为80lm/W。

而这样的合作和创新,也在随着蓝光激光的应用版图一起扩大。




来源 : 艾迈斯欧司朗 发布时间 : 2023-09-01

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