一种飞秒激光振荡器的装调方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超快激光领域，涉及一种飞秒激光振荡器的装调方法。
【背景技术】
[0002]飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲是如此的短，目前已经达到了 4fs以内。I飞秒(fs)，即10_15s，仅仅是I千万亿分之一秒，如果将1fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过Imin而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大(CPA)技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦(TW，即112W)甚至拍瓦(PWJP 115W)量级，其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。
[0003]近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。桑迪亚国家实验室的R.Trebino说过去10年中，(超快)技术已有显著改善，钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒)激光器的运转变得简洁和稳定。这种激光器现在人们已可买到，而10年前，你却必须自己建立。”
[0004]根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研宄领域分成超快瞬态现象的研宄和超强现象的研宄。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源，形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研宄进入微观超快过程领域，并开创了一些全新的研宄领域，如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合，使人们可以研宄半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。在生物学方面，人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/探测技术，研宄光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。
[0005]第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运转始于1988年，这一成果标志着在实验室内飞秒超强及超高强光物理研宄的开始。在这一领域研宄中，由于超短激光场的作用已相当于或者大大超过原子中电子所受到的束缚场，微扰论已不能成立，新的理论处理有待于发展。在102°W/cm2的光强下，可以实现模拟天体物理现象的研宄。1019-1021W/cm2的超高强激光产生的热电子(200keV < E < 1MEV)可以加热大量离子而引发核聚变。这种惯性约束核聚变(ICF)快点火概念的最终实现将为国家安全和能源利用做出不可估量的贡献。
[0006]飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10皮秒(相当于热传导时间)的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研宄用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。美国劳伦斯？利弗莫尔国家实验室的研宄人员发现，这种激光束能安全地切割高爆炸药。该实验室的洛斯克说飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。”飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还在研宄如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。我们相信，随着超短脉冲激光技术的进一步发展以及具有高可靠性的商用飞秒激光器的进一步完善，飞秒激光一定会在更多领域获得更为广泛的应用。
[0007]但是，应该说稳定性和价格是限制飞秒激光广泛应用的两个主要因素，一方面，由于飞秒激光产生的原理决定了其对周围环境因素比较敏感，仅仅是温度和湿度的略微变化便会而导致输出功率降低大幅降低，更不用说由于飞秒激光谐振腔内调节架和平移台的蠕动所带来的影响。另一方面，飞秒激光器的调试十分困难，需要专业人员进行大约三周的调试时间，这是飞秒激光器成本高的一个主要原因。本发明正是针对上述问题提出的一种飞秒激光振荡器调节方法，目的在于提高飞秒激光振荡器的稳定性和降低飞秒激光器的装配成本。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服飞秒激光振荡器的装配难点，提供一种调节方法，在提高调试效率的同时提高飞秒激光器的稳定性。
[0009]本发明的飞秒激光振荡器包括I台532nm泵浦源，2个532nm反射镜、I个聚焦透镜、I个飞秒激光谐振腔，其中，飞秒激光谐振腔包括2个凹面镜、I块钛宝石晶体、2个棱镜、4个全反射镜、I个输出镜，其具体调试步骤如下:
[0010]I)对所有的反射镜片及输出镜进行预装配，将反射镜片及输出镜焊接到镜架上，并且在预装配时，保证所有的镜片都有同样的中心高度，并且镜片的反射面与水平面垂直；
[0011]2)将焊接好的镜片按照设计固定到振荡器的底板上，用3个五维可调节的工装分别加持聚焦透镜和2个凹面镜，放置到设计的预订位置上，五维可调节工装可进行前后、左右、上下、俯仰、偏摆调节；其中，五维可调节工装可以由3个平移台和I个调节架组成，3个平移台拼装到一起实现上下、左右、前后调节，调节架固定在平移台上，实现俯仰和偏摆调节，调节架与镜架之间通过悬臂固定；
[0012]3)利用2个532nm反射镜和I个聚焦透镜，将532泵浦光聚焦到激光晶体中，对激光晶体进行泵浦，仔细调节飞秒激光谐振腔内所有镜片的偏摆，使得飞秒激光谐振腔输出连续激光；
[0013]4)利用3个五维工装，仔细调节透镜和两个凹面镜的距离，使得飞秒激光腔内输出正确的激光模式，仔细调节输出镜的偏摆，使得激光输出功率最大；
[0014]5)给整个飞秒激光谐振腔一个扰动，启动钛宝石的自锁模效应，使得飞秒激光振荡器由连续输出变为飞秒脉冲输出。这种扰动可以通过轻推棱镜产生，也可以通过突然改变全反射镜的前后位置产生
[0015]6)固定3个五维调节工装，将I个聚焦镜、2个凹面镜焊接到对应的镜架上，完成整体调试。
[0016]7)整体调试完毕后，用一个密闭的壳体，将泵浦源和飞秒激光谐振腔密闭在一个空间内。
[0017]其中，焊接镜片的镜架包含镜片固定装置、热敏电阻(PTC)、底座三个部分，其具体的焊接步骤为:将镜片用高温胶粘接到镜片固定装置上；将底座通过螺钉固定到光学平台上，并通过高温焊锡将PTC焊接到底座上；利用工装调节镜片固定装置到正确姿态，并将镜片固定装置悬浮在PTC上方；在PTC和镜片固定装置之间填涂低温焊锡，给PTC通电，将焊锡熔化；撤去PTC上的电压，焊锡自然冷却，镜片固定装置通过PTC焊接到底座上。
[0018]本发明和现有技术相比，其优势在于:
[0019]首先，所有的镜片均通过焊接方式装配，减少了传统的调节镜架蠕动给激光器稳定性带来的影响，极大的提高了整个激光器的稳定性。
[0020]其次，通过五维调节工装和焊接技术的结合，实现了 I个聚焦镜和2个凹面镜之间距离的调节，摒弃了传统调节技术中直接采用平移台或其它精密调节装置固定聚焦镜和凹面镜的方法，既提高了稳定性，又降低了生产升本。
[0021]最后，整个调试步骤不再采用逐个镜片焊接装配的工艺流程，可以分为预安装步骤和精细调节步骤两部分，