手征性耦合芯徑光纖能夠縮放單模光纖的芯徑尺寸──這對(duì)于高精度材料加工應(yīng)用中所需要的高峰值功率激光器的運(yùn)行是必不可少的。

Phill Amaya

越來(lái)越多的高精度材料加工應(yīng)用需要使用短脈沖激光器。這些應(yīng)用包括印刷電路板和柔性電路板上的微盲孔鉆孔、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器修復(fù)、太陽(yáng)能電池邊緣隔離和薄膜圖形化，以及LED制造中的藍(lán)寶石基板劃線。^[1]所有這些應(yīng)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(lái)的對(duì)附近元件的潛在損害，通常需要小于80ns的脈寬。微米級(jí)特征也偏向于更短的波長(zhǎng)，因?yàn)槎滩ㄩL(zhǎng)可以實(shí)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(zhǎng)時(shí)需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素。

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

目前，大多數(shù)納秒脈沖應(yīng)用都是通過(guò)二極管泵浦固體（DPSS）激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。DPSS激光器的性能反映了超過(guò)20年的不斷創(chuàng)新，這是其他激光技術(shù)很難匹敵的。然而，有跡象顯示，一些應(yīng)用需求的發(fā)展可能會(huì)超過(guò)DPSS激光器的實(shí)際能力。更小的光斑尺寸要求和材料問(wèn)題正將脈寬推入皮秒?yún)^(qū)域，但即使脈沖重復(fù)頻率增加，也必須保持所需的單個(gè)脈沖能量。創(chuàng)造性的解決方案正在出現(xiàn)，如“雙光束”技術(shù)，這一技術(shù)通過(guò)復(fù)用兩個(gè)脈沖光源輸出的激光來(lái)達(dá)到兩倍的脈沖重復(fù)率。另一種“混合”方法是利用一個(gè)低功率、高脈沖重復(fù)率的光纖激光器，通過(guò)分離脈沖生成與功率放大這兩項(xiàng)功能來(lái)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(fù)雜性，在其向更高的輸出發(fā)展時(shí)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(dāng)前和發(fā)展中的短脈沖應(yīng)用要求的下一代光源。表1中列出了主要目標(biāo)規(guī)格。光纖激光器具有高單程增益，簡(jiǎn)化了放大器的設(shè)計(jì)，并可直接提高平均功率，這使其對(duì)于短脈沖應(yīng)用來(lái)說(shuō)很有吸引力。在這些應(yīng)用中，需要高峰值功率運(yùn)行以達(dá)到所需的脈沖能量和脈寬，而要實(shí)現(xiàn)高峰值功率運(yùn)行需要增大光纖芯徑尺寸，這是其難點(diǎn)所在。如果不增大芯徑尺寸，非線性光學(xué)效應(yīng)將會(huì)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(biāo)平均功率的四分之一，也是目前DPSS激光器所能達(dá)到的平均功率的一半。在一個(gè)有望進(jìn)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(dú)特結(jié)構(gòu)的光纖。^[2]

表1：光纖激光器的目標(biāo)指標(biāo)

這種3C光纖的芯徑比傳統(tǒng)的雙包層、大模場(chǎng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有選擇的將中心纖芯中的高階光學(xué)模耦合到衛(wèi)星纖芯（Satellite Core）中，同時(shí)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(dǎo)致被耦合進(jìn)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(yīng)用到非常大芯徑的光纖的設(shè)計(jì)中（見圖2）。

圖1：手征性耦合芯徑光纖使用1根中心導(dǎo)引纖芯，以及至少1根螺旋型圍繞在中心纖芯周圍的衛(wèi)星纖芯。插圖所示的是光纖端面。

圖2：計(jì)算得到芯徑為35μm、螺旋周期為9mm的特定3C光纖的模式損耗。其中，LP₀₁基模的損耗小于0.2dB/m，而高階模的損耗大于100dB/m。^[2]

3C光纖可直接制備，制備過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)的DCF有兩個(gè)基本區(qū)別。標(biāo)準(zhǔn)DCF是由玻璃預(yù)制棒拉制出來(lái)的，具有適當(dāng)摻雜的中心纖芯。預(yù)制棒和纖芯的尺寸預(yù)先按比例搭配好，這樣在光纖拉絲塔上加熱和拉制時(shí)就會(huì)縮小到所需要的光纖尺寸。3C光纖的預(yù)制棒包括兩根摻雜纖芯。一根纖芯在預(yù)制棒的中心軸上，另一根衛(wèi)星纖芯略微偏離中心軸。接下來(lái)，當(dāng)光纖拉伸時(shí)同時(shí)旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)使得偏離中心軸的衛(wèi)星纖芯螺旋型圍繞在中心纖芯周圍，產(chǎn)生了所需的螺旋（見圖3）。

圖3：當(dāng)3C光纖拉制時(shí)同時(shí)旋轉(zhuǎn)預(yù)制棒，使離軸的衛(wèi)星纖芯螺旋型圍繞在中心纖芯周圍，產(chǎn)生了所需的螺旋。

3C光纖的一個(gè)重要屬性是其性能不依賴于特定的彎曲度，這與標(biāo)準(zhǔn)大模場(chǎng)面積光纖正好相反。大模場(chǎng)面積光纖通過(guò)仔細(xì)卷繞，從而利用彎曲引起的基模和高階模之間的損耗不同來(lái)獲得單模性能，這種方法對(duì)芯徑小于25μm的光纖有效。芯徑尺寸越大，這種方法越?jīng)]有效果。^[3]這種技術(shù)對(duì)于光束傳輸和光纖元件中的使用來(lái)說(shuō)也是有問(wèn)題的。由于模式辨別并不依賴于光纖的彎曲度，因此3C光纖可以以筆直或彎曲的形態(tài)應(yīng)用于有源或無(wú)源光纖結(jié)構(gòu)中。

芯徑為35μm、摻鐿和未摻鐿（Yb³⁺）芯層的兩種手征性耦合芯徑光纖，可作為增益光纖并應(yīng)用于無(wú)源光纖元件結(jié)構(gòu)中。針對(duì)光纖在MOPA（主控振蕩器功率放大器）結(jié)構(gòu)內(nèi)性能的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，其產(chǎn)生的平均功率超過(guò)100W，脈寬為10ns，在100kHz脈沖重復(fù)頻率下的峰值功率達(dá)到了100kW（見圖4）。^[4]

圖4：測(cè)量得到3C光纖的斜率效率（70％）和光束質(zhì)量。光纖輸出的M²因子達(dá)到了1.07。

短脈沖激光器的絕大多數(shù)應(yīng)用都需要可見光和紫外光，認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)非常重要，因此合適的光纖激光器光源必須具有穩(wěn)定的偏振輸出。光纖輸出的偏振光通常是由定向型材料應(yīng)力所導(dǎo)致的強(qiáng)烈雙折射產(chǎn)生的。通過(guò)光纖中的應(yīng)力棒可以實(shí)現(xiàn)偏振輸出，并且適用于光纖芯徑小于10μm的情況。當(dāng)光纖芯徑增加時(shí)，要在光纖芯層的更大截面內(nèi)產(chǎn)生均勻的應(yīng)力變得更加困難，這意味著很難獲得高的偏振對(duì)比度。由此產(chǎn)生的偏振性能對(duì)熱擾動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)非常敏感，這兩種擾動(dòng)會(huì)造成輸出不穩(wěn)定。

相比之下，3C光纖的設(shè)計(jì)利用生產(chǎn)過(guò)程和光纖結(jié)構(gòu)來(lái)獲得低雙折射光纖。這些低雙折射的光纖可以非常穩(wěn)定地保持輸入光的偏振態(tài)（見圖5）。

圖5：將線偏振光入射到4米長(zhǎng)的環(huán)形3C光纖中，并將光纖從20℃加熱到70℃，同時(shí)對(duì)輸出光的偏振態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明偏振軸沒有旋轉(zhuǎn)，且偏振消光比保持在20dB以上。在顯著的機(jī)械擾動(dòng)和熱擾動(dòng)下，其保偏性能依舊非常出眾。

對(duì)縮小元件尺寸和降低制造成本的不懈追求，將繼續(xù)推動(dòng)對(duì)更高性能的短脈沖激光器的需求。作為最新的創(chuàng)新之一，3C光纖具有更高的性能，可以滿足人們對(duì)于小型化和低成本的需求。更大芯徑的單模光纖所具有的性能潛力有望使其不僅僅可應(yīng)用于材料加工。已經(jīng)開展的使用3C光纖的三個(gè)熱點(diǎn)科研應(yīng)用是：定向能武器、激光等離子體極紫外光刻和超快光譜。

在定向能應(yīng)用中，需要更大的光纖芯徑以獲得所需的連續(xù)波功率，同時(shí)保持單一偏振態(tài)的窄光譜線寬。光纖激光器具有高電光效率、小尺寸，可以實(shí)現(xiàn)更加可靠的產(chǎn)品組裝，是定向能應(yīng)用的理想選擇。極紫外光刻正向依賴于大型CO₂、脈沖激光光源的大批量半導(dǎo)體生產(chǎn)邁進(jìn)�；�于大芯徑單模光纖的研究表明，通過(guò)在光譜上疊加高功率脈沖光纖激光器光源，可能建成更高效、更緊湊并且可升級(jí)的激光器光源。^[5]最后，大芯徑單模光纖是為實(shí)際應(yīng)用的超快光譜系統(tǒng)提供小型、耐用光源的一個(gè)關(guān)鍵因素。

參考文獻(xiàn)：

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4. C. Liu, S. Huang, C. Zhu, A. Galvanauskas, "High Energy and High Power Pulsed Chirally-Coupled Core Fiber Laser System," in Advanced Solid-State Photonics, OSA Technical Digest Series (CD), Optical Society of America, paper MD2 (2009).
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