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200833

2010-10-13 23:09

結構光纖提升短脈沖激光器的性能

越來越多的高精度材料加工應用需要使用短脈沖激光器。這些應用包括印刷電路板和柔性電路板上的微盲孔鉆孔、半導體存儲器修復、太陽能電池邊緣隔離和薄膜圖形化，以及LED制造中的藍寶石基板劃線。[1]所有這些應用的典型特征都是小型化日益加劇，和/或在降低制造成本方面面臨持續(xù)不斷的壓力。

小型化和縮減特征尺寸是采用短脈沖激光的主要原因。為了減小工件上的熱影響區(qū)和隨之而來的對附近元件的潛在損害，通常需要小于80ns的脈寬。微米級特征也偏向于更短的波長，因為短波長可以實現(xiàn)更小的聚焦光斑尺寸。材料的吸收特征也是確定激光波長時需要考慮的一個關鍵因素。

此外，隨著特征尺寸的縮小，在單個設備中或單位面積內(nèi)會出現(xiàn)更多的特征，因此必須增加激光脈沖重復率，否則設備的制造周期將會延長。由于特征是制造于基底之上的，當基底的尺寸同時增長時，上述要求就變得更加迫切。例如，在過去10年中，半導體內(nèi)存芯片的最小特征尺寸從150μm下降到了60μm。與此同時，硅晶圓的尺寸從200mm增加到了300mm。因此，可以印刷在單個晶圓上的特征數(shù)量已經(jīng)躍升了14倍。在這個例子中，特征尺寸的減小也推動了加工過程采用紫外波長以形成更小的光斑尺寸。這些進展推動激光器開發(fā)人員將基頻波長為1.0μm左右的平均輸出功率提高了10倍，并且將應用波長移至355nm。在其他微電子應用中，這種趨勢同樣十分明顯。表面積的增加和加工時間的減少，推動了太陽能電池加工技術的進一步發(fā)展。

目前，大多數(shù)納秒脈沖應用都是通過二極管泵浦固體（DPSS）激光器來實現(xiàn)的。DPSS激光器的性能反映了超過20年的不斷創(chuàng)新，這是其他激光技術很難匹敵的。然而，有跡象顯示，一些應用需求的發(fā)展可能會超過DPSS激光器的實際能力。更小的光斑尺寸要求和材料問題正將脈寬推入皮秒?yún)^(qū)域，但即使脈沖重復頻率增加，也必須保持所需的單個脈沖能量。創(chuàng)造性的解決方案正在出現(xiàn)，如“雙光束”技術，這一技術通過復用兩個脈沖光源輸出的激光來達到兩倍的脈沖重復率。另一種“混合”方法是利用一個低功率、高脈沖重復率的光纖激光器，通過分離脈沖生成與功率放大這兩項功能來為DPSS放大器提供光源。雖然使用了這些解決方案，但的確增加了成本和復雜性，在其向更高的輸出發(fā)展時將有所受限。

光纖激光器

在所有的解決方案中，光纖激光器是理想的能夠滿足當前和發(fā)展中的短脈沖應用要求的下一代光源。表1中列出了主要目標規(guī)格。光纖激光器具有高單程增益，簡化了放大器的設計，并可直接提高平均功率，這使其對于短脈沖應用來說很有吸引力。在這些應用中，需要高峰值功率運行以達到所需的脈沖能量和脈寬，而要實現(xiàn)高峰值功率運行需要增大光纖芯徑尺寸，這是其難點所在。如果不增大芯徑尺寸，非線性光學效應將會引起光譜展寬和輸出功率的不穩(wěn)定。目前采用20μm芯徑的雙包層光纖（DCF）的商用光纖激光器，可在10ns脈沖內(nèi)提供最高25kW的峰值功率，在100kHz的工作頻率下產(chǎn)生25W的平均功率。這只是表1中目標平均功率的四分之一，也是目前DPSS激光器所能達到的平均功率的一半。在一個有望進一步提高功率的解決方案中，包括一種名為手征性耦合芯徑或3C光纖的獨特結構的光纖。

這種3C光纖的芯徑比傳統(tǒng)的雙包層、大模場面積光纖大得多，并且能夠?qū)崿F(xiàn)單模輸出。手征性耦合芯徑光纖由中心的導引纖芯和至少一根螺旋型圍繞在中心纖芯周圍的衛(wèi)星纖芯組成（見圖1）。這種結構設計可以有選擇的將中心纖芯中的高階光學模耦合到衛(wèi)星纖芯（Satellite Core）中，同時只有LP01模在中心纖芯中傳輸。合適的衛(wèi)星纖芯參數(shù)和螺旋周期導致被耦合進入衛(wèi)星纖芯的光模式被散射到包層中，因而損耗很高。這種概念可以應用到非常大芯徑的光纖的設計中（見圖2）。