上海光机所研制成功多路并行激光直写系统

2010年11月,上海光机所周常河研究员课题组成功研制出多路激光直写装置。该装置采用405nm的蓝光激光光源．尼康0．9数值孔径的透镜,以及自动聚焦系统,实现了25路高精度并行激光直写,刻写光斑的线宽小于600nm。相比于传统激光直写系统,该装置在刻写速度和效率方面有了很大的提高,几十倍地缩短了激光直写时间,可以快速制作大尺寸、高精度衍射光学元件。     

应用于金属焊接的光纤耦合输出2kW半导体激光光源

报道了一种高效节能、千瓦级光纤柔性输出半导体激光焊接光源。采用半导体激光合束技术,研制出2246W半导体激光合束光源,电光效率达43.6%;通过聚焦耦合,实现从600μm芯径、数值孔径0.2的光纤连续输出功率为2104W,光纤耦合效率达93.7%;在光纤输出端采用放大率1颐1的成像系统,到达工件表面的功率为2084W,光参量积为46.89mm·mrad,在束腰处测得光斑直径600μm,光功率密度为7.37×105 W/cm2,可以满足金属薄板焊接的激光加工要求     

窄线宽蓝光半导体激光器研究

由于有色金属对蓝光激光光源具有良好的吸收效率，因此蓝光半导体激光器逐步成为研究热点。针对激光加工纯铜、纯金、高强铝等高反射金属材料的市场需求，采用体布拉格光栅作为外腔反馈元件，压窄激光线宽，稳定激光波长，并基于空间合束技术将6片单管蓝光激光芯片聚焦耦合进芯径为105μm、数值孔径为0.22的光纤中，研制出窄线宽蓝光半导体激光光纤耦合模块。当工作电流为3 A时，该激光模块的输出功率为26.32 W，稳定输出波长为444.29 nm，光谱线宽被压至0.18 nm。     

飞秒激光直写金属反射光栅的实验研究

提出了利用800 nm的飞秒激光在Ni金属表面直写反射型衍射光栅的新方法.研究了激光刻写速度、激光功率以及光栅周期等实验参数与直写出的反射光栅衍射效率的关系.在现有实验条件下,由50 fS激光脉冲单光束直写获得的Ni质金属反射光栅的一级衍射效率η为7.47%.     

基于半导体激光合束技术的高效点火光源研究

随着半导体激光技术的快速发展,以半导体激光为核心光源的激光点火技术得到越来越广泛的应用。本文开展了高效激光点火光源的研究,设计出一种单光纤双波长输出的光学结构,将高功率976 nm点火激光和低功率1310 nm检测激光通过空间合束以及波长合束技术耦合到芯径为105μm,数值孔径(NA)为0.22的光纤中,获得了输出功率大于10 W的976 nm点火激光以及输出功率大于1 m W的1310 nm检测激光,其中高功率点火激光的耦合效率超过90%;通过自聚焦透镜对出纤激光进行光束整形,与自由输出光束相比,整形后出射光斑发散角减小了,入射到点火药剂上的光功率密度增大了,点火效率提高了。实验结果表明,所设计的分光镜膜系以及光路结构可实现光路自检以及高功率点火激光的输出功率同步自检,满足该领域对于点火光源高效率、高可靠性的应用要求。     

近期光刻用ArF准分子激光技术发展

193 nm ArF准分子激光光刻技术已广泛应用于90 nm以下节点半导体量产。ArF浸没式也已进入45 nm节点量产阶段。双图形光刻（DPL）技术被业界认为是下一代光刻32 nm节点最具竞争力的技术。利用双图形技术达到32 nm及以下节点已经被诸多设备制造商写入自己的技术发展线路。Cymer公司和Gigaphoton公司为双图形光刻开发了高输出功率、高能量稳定性和具有稳定的窄谱线宽度ArF准分子光源。分析了近期发展用于改进准分子激光性能的关键技术：主振-功率再生放大(MOPRA)结构、主振-功率振荡(MOPO)结构,主动光谱带宽稳定技术,先进的气体管理技术。对光刻用准分子激光光源技术发展趋势进行了简要的讨论。     

基于环形谐振腔的双波长半导体激光器的研制

由于半导体环形激光器器件尺寸不再受解理面的限制,结构简单紧凑,容易集成,近年来成为集成光源领域的研究热点之一。采用MOCVD系统外延生长InAlGaAs多量子阱激光器材料,利用BCl3,Cl2和Ar刻蚀气体的ICP干法刻蚀技术和PECVD介质钝化工艺,研制了基于环形谐振腔的双波长半导体激光器样品,实现了激光光源的单片集成。该激光器由两个半径分别为200和205μm的环形谐振腔和一条脊宽为3.4μm的直波导耦合构成,两者之间的耦合间距为1.0μm,当两个环形激光器的注入电流分别为50.12和50.22 mA时,对应的激射波长为1 543.12和1 545.64 nm。改变激光器的注入电流,可调节峰值波长与波长间隔。     

用于光纤测量的1310nm/1550nm半导体激光驱动电源

为了实现光纤的精确快速测量, 设计了一种高稳定功率连续可调的1310nm/1550nm半导体激光驱动电源。该电源采用电流串联负反馈技术组成精密恒流源驱动半导体激光二极管,恒温控制电路驱动半导体制冷器,从而保证了激光器输出功率的稳定。控制器局域网络总线电路实现激光源的功率连续可调及激光的选择,通过变速积分PID控制算法消除了积分饱和,加速系统温度的稳定。采用激光保护和软启动电路,实现半导体激光器可靠稳定运行。结果表明,半导体激光器工作在室温25℃时,温度稳定性达0.01℃,激光长期输出功率稳定度达0.018dB。相对于传统的1310nm/1550nm半导体激光光源,该光源稳定性高、稳定速度快、体积小,方便光纤在线测量。     

高精度微光学器件激光直写光刻系统研究

设计一套高精度激光直写光刻系统,它采用带17位增量式编码器的松下MINAS A系列交流伺服马达,同时还采用基于高精密滚珠丝杆和超精密线性滑轨导向的x-y运动平台,可以实现约30 nm的运动控制灵敏度。针对该系统开发一套基于ISA总线的三维运动控制卡。实验表明该激光直写光刻系统完全能够满足光刻精度的要求,并且具有控制简单、行程轨迹精确等特点,适用于许多微光学器件加工领域。     

基于飞秒激光制备的光子晶体光纤Fabry-Perot温度传感器

提出并设计了一种基于飞秒激光在光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)中制备光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)传感器的方法。采用飞秒脉冲激光作为加工光源,结合放大倍率100×的物镜以及三维加工平台在PCF侧面采用逐线刻写方式进行加工。通过对飞秒激光光斑在光纤上的聚焦位置以及刻写功率进行优化,在PCF上刻写了深度均为80 μm、间隔为800 μm的两条划线,实现了周期为0.98 nm的全光纤F-P结构制备；实验中,对传感器在40~120 ℃温度范围内的光谱特性进行了测试与分析,每隔10 ℃进行一次数据采集,随着温度逐渐增加波长向长波方向漂移,通过对该采样点数据进行线性拟合,得到该测试点的波长温度灵敏度为9.73 pm/℃,拟合线性度为0.997。     

高精度激光与红外对抗材料特性测试系统的设计

激光与红外干扰材料的特性测量中,为克服热像仪温度分辨率低的缺点,设计了高精度激光与红外对抗材料特性测试系统,该系统光源采用带精密功率和温度控制的半导体激光器(1.06μm)和中远红外辐射板(3～5μm,8～12μm),并采用斩波频率为12 Hz的机械斩波方式.探测器选用高灵敏度的带滤光片的PIN管和热释电探测器,光学接收系统采用φ178 mm的卡塞格伦聚光接收系统,测试系统的软件用Measurement studio编写,采用了128阶FIR数字带通滤波器和AR功率谱模型进行数字信号处理,系统透过率测量分辨率＞0.5%,测量精度＞1%,测量距离＞200m,并且提供了完备的试验数据和图表的分析、统计的功能.     

可用于光刻自动聚焦的高灵敏度流量计式位移检测系统

为解决传统光学检测方法存在的对已刻(干刻)区域无法检测、潜在曝光可能性、系统光路复杂以及灵敏度较低等缺点,提出了一种可用于激光直写光刻自动聚焦的高灵敏度流量计式位移检测系统。详细介绍了系统的原理、系统设计、实验方法以及误差分析等。根据流量传感器检测得到的气流变化,可以判断光刻系统中聚焦系统是否离焦以及离焦量的大小。再将此气流变化量转化为电压值反馈至压电陶瓷(PZT)执行机构,通过执行机构实现自动聚焦。由于喷嘴挡板系统可以建立喷嘴挡板间距与喷嘴内部压力的关系,而流量敏感度要高于压力敏感度,故采用了热线探针来检测系统流量变化。实验证明,该方法能够准确检测系统离焦量,系统测量精度可达100nm,频率响应可达20Hz,量程可达20μm。而且在一定范围内喷嘴挡板间距与空气流量变化具有非常好的线性关系。     

基于飞秒激光直写的高折射率光纤光栅传感器

该文提出了一种基于飞秒激光直写的高灵敏度光纤光栅折射率传感器,同时测量了传感器的温度及轴向应变特性。采用波长为800 nm的飞秒激光刻写了周期为150μm,周期数为50,栅区长度为7.5 mm的长周期光栅。该传感器在折射率测量实验中的灵敏度最高可达1 605 nm/RIU,在30～330℃,温度灵敏度达到76.52 nm/℃,传感器的稳定性良好且对应变不敏感,鲁棒性优良。这种基于飞秒激光直写的长周期光纤光栅,其折射率灵敏度较高,耐高温,具有广泛的应用前景。     

基于飞秒激光直写FBG的C+L波段掺铒光纤激光器

提出并设计了一种基于飞秒激光直写制备光纤布拉格光栅阵列的C+L波段掺铒光纤激光器,实现了波长可切换的单波长及双波长激光输出。采用飞秒激光透过聚酰亚胺光纤保护层在纤芯直写的方法,分别实现周期为538、542、547 nm的光纤布拉格光栅刻写,单个光栅栅区长度3 000 m。作为选频器件的光栅阵列反射波长分别为1 555.5、1 569.6、1 583.8 nm;选用长度为3 m的C波段和10 m的L波段掺铒光纤组合作为激光器增益介质,结合泵浦源、光纤布拉格光栅偏振控制器及宽带全反镜构成线形腔结构光纤激光器。实验结果表明:激光器工作阈值为35 mW,通过调节偏振控制器能够实现1 555.4、1 569、1 583.2 nm单波长激光可切换输出,激光3 dB线宽0.05 nm,边模抑制比大于35 dB;实验中分别对单波长激光的光谱稳定性进行了测试,10 min内最大功率波动小于0.98 dB;通过调节偏振控制器可分别实现1 569、1 583.2 nm以及1 555.4、1 569 nm双波长激光同时输出,在10 min监测时间内,输出激光功率变化分别小于1.14 dB和4.48 dB。     

15 kW光纤耦合半导体激光淬火光源

针对激光淬火在大型风电轴承生产中的实际需求,研制了一种功率高达15 kW的光纤耦合半导体激光淬火光源。该光源先采用915 nm和976 nm两个波段各8个宏通道冷却技术封装的半导体激光微巴条阵列作为发光单元,进行空间、偏振及波长合束,在光纤芯径为200μm、数值孔径为0.22的光纤中实现了超过800 W的连续输出,电光转换效率整体达到45%以上。再通过19×1光纤合束器对19个800 W模块进行合束,由输出端口光纤直径为1 mm的光纤耦合输出。光束经过由微透镜阵列与聚焦镜复合的加工头,光斑匀化,最终输出了功率大于15 kW、光斑尺寸为165 mm×25 mm的激光束,满足了大型风电主轴轴承滚道面淬火需求。     

单偏振半导体光放大器扫频光相干层析系统

实现了基于单偏振半导体光放大器高速扫频光源的光相干层析系统。系统中的扫频光源使用偏振相关的半导体光放大器,采用傅里叶域锁模结构。偏振相关的半导体光放大器有着增益谱宽大、输出功率高的优点,使得光源仅使用一个放大器即可获得足够的增益谱宽与输出功率。扫频光源输出功率达到32mW左右,有效扫描频率为45kHz,输出光谱的中心波长为1 326nm,光谱宽度为115nm。利用系统进行光相干层析成像时,横向分辨率为9μm,纵向分辨率为12.9μm左右,灵敏度为105dB。利用该系统实现了多种生物和非生物样品的光学相干层析成像。     

单偏振半导体光放大器扫频光相干层析系统

实现了基于单偏振半导体光放大器高速扫频光源的光相干层析系统。系统中的扫频光源使用偏振相关的半导体光放大器, 采用傅里叶域锁模结构。偏振相关的半导体光放大器有着增益谱宽大、输出功率高的优点, 使得光源仅使用一个放大器即可获得足够的增益谱宽与输出功率。扫频光源输出功率达到32mW左右, 有效扫描频率为45kHz, 输出光谱的中心波长为1326nm, 光谱宽度为115nm。利用系统进行光相干层析成像时, 横向分辨率为9μm, 纵向分辨率为12.9μm左右, 灵敏度为105dB。利用该系统实现了多种生物和非生物样品的光学相干层析成像。     

德国DILAS推出COMPACT高功率半导体激光器系统系列

德国DILAS的COMPACT高功率半导体激光系统已形成完整的产品体系，波长覆盖640～2200nm，功率范围覆盖几瓦至500W，光纤芯径200，300，400，800μm可选。德国DILASCOM～PACT高功率半导体激光系统带工业水冷机，电源和控制器于一体，     

基于陶瓷焊接的半导体激光器合束及聚焦研究

为了解决石油输送管道Al₂O₃陶瓷内衬管的连接问题,研制了专用的半导体激光光源用于陶瓷激光焊接。实验研究了陶瓷激光焊接所需要的半导体激光工艺参量及光束要求,采用单管空间合束、偏振合束、波长合束以及菲涅耳聚焦系统输出等方式,研制了光场分布均匀的半导体激光陶瓷焊接系统。结果表明,所设计半导体激光器偏振合束输出功率为384W,合束效率达到96.62%,经波长合束后输出功率可以超过800W,聚焦系统输出光斑均匀度为93.85%。该系统可以成功应用于不同场合的陶瓷焊接生产中,满足2mm厚度Al₂O₃陶瓷激光焊接要求。     

基于微纳米尺度光热膨胀的微型光热驱动器研究

用准分子加工系统制备了长度1mm的微型光热驱动器,用红光半导体激光（650nm）作为驱动源进行了驱动实验。结果表明,直接用激光束驱动可产生微米级偏转,激光束聚焦质量无严格限制,激光束在膨胀臂上的照射位置对偏转量不会造成明显影响。偏转量可调,当激光功率从0mW增大到10mW时,微型光热驱动器的偏转量可从0μm增大到14．33μm。本方法简单易行,可独立驱动运作,易于小型化,真正实现无线遥控操作。