作者：Steve Norman 來(lái)源：
激光世界
m>$+sMZE ~N;.hU%l 隨著應(yīng)用能力的不斷拓展，
光纖激光器開(kāi)始滲透到常規(guī)
激光技術(shù)曾經(jīng)牢固占據(jù)的市場(chǎng)領(lǐng)域，現(xiàn)在人們提出了這樣的問(wèn)題：
光纖激光器應(yīng)用的最終極限是什么？不管是在低功率打標(biāo)應(yīng)用中，還是在高功率機(jī)械與材料加工應(yīng)用中，光纖激光器都以應(yīng)用簡(jiǎn)便、精度高、穩(wěn)定性好以及靈活性高等特點(diǎn)，使用戶從中受益，這也驅(qū)動(dòng)了光纖激光器市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。
|X`xJL |]HU$Gt S 脈沖激光器的峰值功率范圍
'O8"M s%>>E!Qi_ 激光打標(biāo)通常要求系統(tǒng)成本低、便于集成，并且緊湊耐用。打標(biāo)應(yīng)用要求激光器能夠精確地對(duì)盡可能多的材料，比如金屬、聚合物、甚至是像食物那樣的有機(jī)材料進(jìn)行重復(fù)標(biāo)刻。這種加工需要能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持較高峰值功率的脈沖激光輸出。
e P|:b & b 4!(~"b. 脈沖光纖激光模塊性能優(yōu)異，能夠同時(shí)提供好的光束質(zhì)量（M2小于2）、可控脈沖重復(fù)率、峰值功率和能量（見(jiàn)圖1）。SPI公司推出的全光纖集成激光器結(jié)合了稱為“PulseTune”的脈沖整形技術(shù)，以及高增益脈沖放大采用的主振蕩器功率放大器（MOPA）構(gòu)架設(shè)計(jì)。該激光模塊的平均輸出功率可達(dá)20W，能夠在很寬的參數(shù)范圍內(nèi)應(yīng)用，從重復(fù)率為25kHz、單脈沖能量為0.8mJ的高能脈沖（用于硬金屬標(biāo)刻）到重復(fù)率高達(dá)500kHz（這是目前的最高重復(fù)率）、單脈沖能量為40礘的低能高速脈沖（用于在聚合物襯底上進(jìn)行高速標(biāo)刻）。高能端對(duì)應(yīng)的峰值功率通常為15～20kW，高速端（即低能端）對(duì)應(yīng)的峰值功率超過(guò)1kW。位圖標(biāo)刻使用的激光器可以在連續(xù)波（CW）以及功率調(diào)制的模式下進(jìn)行工作，激光器的輸出波長(zhǎng)在1祄附近。
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S& 8gZ~B 圖1. 由于采用了脈沖整形技術(shù)和主振蕩器功率放大器（MOPA）構(gòu)架，SPI 公司的光纖激光器（右圖）在高達(dá)500kHz的重復(fù)率下，輸出峰值功率超過(guò)了3kW（左圖）。常規(guī)激
光源的種子脈沖形狀和重復(fù)率相互依賴，并且僅能在40kHz的重復(fù)率以下提供與光纖激光器相當(dāng)?shù)男阅�。光纖激光器能在較寬的重復(fù)率范圍內(nèi)維持高峰值功率的特性，是Q開(kāi)關(guān)激光器（具有同等功率及尺寸）無(wú)法比擬的，無(wú)論是二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器還是光纖Q開(kāi)關(guān)激光器。采用Q開(kāi)關(guān)激光器，當(dāng)重復(fù)率高于某一特定值后，再增加重復(fù)率就會(huì)導(dǎo)致脈沖塌陷、脈寬顯著增加，并且峰值功率顯著下降。
^6mlE+WY aG8}R~wH& PulseTune MOPA方法的關(guān)鍵性創(chuàng)新在于將脈沖控制與放大級(jí)分離，這可以使脈沖寬度和峰值功率不受重復(fù)率的影響。PulseTune技術(shù)能夠在重復(fù)率高達(dá)500kHz的條件下，確保峰值功率超過(guò)3kW。常規(guī)技術(shù)受到種子脈沖形狀與重復(fù)率相互依賴的影響，僅能在40kHz重復(fù)率以下提供相當(dāng)?shù)男阅�。這些性能差別能使加工產(chǎn)量相差十倍。
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K0yTHX?(. 由于具有較高的參數(shù)控制能力和靈活性，除了最基本的打標(biāo)應(yīng)用，SPI公司的redEnergy脈沖激光器還在大量需要高附加值的領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，例如在不銹鋼上進(jìn)行彩色標(biāo)刻、
液晶顯示器微調(diào)以及存儲(chǔ)器修復(fù)等應(yīng)用。這些大批量加工應(yīng)用，需要對(duì)脈沖能量進(jìn)行精確的可重復(fù)控制（見(jiàn)圖2）。
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1[C,*\X8v 圖2. 脈沖光纖激光器能夠用于彩色標(biāo)刻，例如通過(guò)對(duì)脈沖能量及重復(fù)率進(jìn)行控制，可以在不銹鋼上形成色調(diào)（上圖）。在另一項(xiàng)應(yīng)用中，人們使用重復(fù)率為250kHz的15W脈沖光纖激光器進(jìn)行電阻器微調(diào)（下圖）。 連續(xù)波激光器的功率范圍
}XWic88!~ / d9I2~}B 光纖激光器耐用的全光纖、全引導(dǎo)構(gòu)架能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)輸出運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)需常規(guī)的調(diào)節(jié)及重新準(zhǔn)直。有源光纖腔固有的大的表體比便于散熱，從而最大程度地降低對(duì)外部冷卻的需求。使用極低損耗、整體全光纖構(gòu)架，可以獲得出色的光－光、電－光轉(zhuǎn)換效率和相對(duì)較高的總體效率。通過(guò)合適的設(shè)計(jì)，纖芯可以調(diào)節(jié)光束質(zhì)量，并且光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不存在熱
透鏡效應(yīng)，這些都使光纖激光器具備不隨功率變化的卓越的光束質(zhì)量和超強(qiáng)的穩(wěn)定性。
` {CaJ6. aAF:nyV~~0 通常，光纖激光器采用極為耐用的電信級(jí)單發(fā)射體寬條多模泵浦二極管作為泵浦源，因此有望對(duì)它們以超過(guò)100kHz的頻率進(jìn)行快速調(diào)制。
hAHl+q)w? ;#P@(ZVT 所有這些優(yōu)點(diǎn)，使光纖激光器十分適合在連續(xù)波或準(zhǔn)連續(xù)波
^.&uYF& 波運(yùn)轉(zhuǎn)下放大到更高功率，來(lái)滿足微電子方面的應(yīng)用需求。在這些應(yīng)用中，光束質(zhì)量、精度以及穩(wěn)定性至關(guān)重要。在許多應(yīng)用中，控制、改變
激光加工能量和功率輸入，對(duì)加工過(guò)程起著決定性作用。例如：在薄金屬板和金屬管（印刷電路模版及動(dòng)脈支架）的微切割過(guò)程中，激光功率調(diào)制對(duì)加工過(guò)程起主要作用。它可以減少諸如熱影響區(qū)（HAZ）等熱效應(yīng)和殘?jiān)⑶铱梢允骨锌趯挾刃∮?0祄。
5J d&3pO R{\vOw:* 由于采用了專(zhuān)有的GTWave技術(shù)，SPI公司的200W單模OEM激光系統(tǒng)具備優(yōu)異的
光學(xué)輸入/輸出響應(yīng)（見(jiàn)圖3）。它的工作波長(zhǎng)在1祄波段，輸出為單模，并且光－光轉(zhuǎn)換效率高于50%，最大輸出功率對(duì)應(yīng)的均方根噪聲小于1%，因此適用于需要進(jìn)行精確控制和極高重復(fù)率的工業(yè)應(yīng)用。這類(lèi)激光器（100W、150W、200W）能夠用于超精細(xì)切割、精細(xì)雕版、金屬粉末燒結(jié)（快速原型裝置制造）以及普通的切割與焊接領(lǐng)域。人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出系統(tǒng)構(gòu)架、電子元件和控制算法，以提供連續(xù)波和連續(xù)波調(diào)制（CW-M）運(yùn)轉(zhuǎn)模式。
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{N[IjY 圖3. SPI公司的200W單模OEM激光系統(tǒng)具備優(yōu)異的光學(xué)輸入/輸出響應(yīng)（上圖）。在脈沖重復(fù)率為70kHz、輸出功率為20～100W的工作條件下，該激光器的調(diào)制性能如下圖所示。峰值功率均方根噪聲1%～2%。在該工作范圍內(nèi)，激光器的平均輸出功率約為5W，十分適合精密切割與雕刻應(yīng)用。有源光纖本身是高增益、低背景損耗的介質(zhì)，并且需要相對(duì)低Q值的腔以獲得最佳性能。低Q值腔以及較高的纖芯內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度，能使激光腔快速耗盡，使連續(xù)波調(diào)制運(yùn)轉(zhuǎn)的頻率可提高到100kHz以上。
[Pi8gj* 5Az=)q4Q 新興應(yīng)用
@>B #2t& ~;QO`I=0P 除了強(qiáng)化甚至是取代很多要求極高的工業(yè)與醫(yī)學(xué)應(yīng)用方案外，隨著在性能和靈活性方面的進(jìn)步，光纖激光器的一些新興應(yīng)用領(lǐng)域正在逐步涌現(xiàn)（見(jiàn)圖4）。
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F:x" RbbF 圖4. 光纖激光器在一些新的應(yīng)用領(lǐng)域找到了用武之地，例如對(duì)硅晶片進(jìn)行加工。使用該方法形成的邊緣斷裂相比于常規(guī)激光加工而言可以忽略（左圖）。輸出功率為200W的光纖激光器還可用于金屬燒結(jié)快速原型化部件的制造，例如通過(guò)燒結(jié)鈦2粉末制作的變形鏡底座（右圖）。 泵浦方案的選取，是利用全光纖激光器優(yōu)點(diǎn)以及將其提高到更高功率水平的關(guān)鍵。即使是結(jié)合處、光纖錐以及泵浦注入耦合器處百分之幾的耦合損耗，都會(huì)導(dǎo)致局部若干瓦的熱耗散。末端泵浦以及V形槽邊泵浦等單點(diǎn)注入技術(shù)，會(huì)導(dǎo)致“熱點(diǎn)”出現(xiàn)以及產(chǎn)品過(guò)早損壞。對(duì)此，SPI公司推出了一項(xiàng)專(zhuān)利方案，使用包層覆蓋的一根有源光纖和一根泵浦光纖構(gòu)成的復(fù)合光纖（GTWave），進(jìn)行多端口多點(diǎn)泵浦注入。入射到泵浦光纖的泵浦光能量逐漸耦合到有源光纖，即在整個(gè)光纖長(zhǎng)度內(nèi)采取分布耦合的方式，從而避免了“熱點(diǎn)”的出現(xiàn)，并且便于輸出功率的提高。
\$ T mMjY I1F 除增加泵浦注入端口的數(shù)量外，GTWave信號(hào)光纖末端保持自由以進(jìn)行連接，從而無(wú)需阻隔信號(hào)光路就可以對(duì)若干單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)。近期SPI公司的演示顯示，GTWave光纖激光單元的輸出功率超過(guò)450W。這一功率水平將進(jìn)一步推動(dòng)光纖激光器向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域滲透。
DbP!wU lqR 8n?qm96 市場(chǎng)前景
Dr$k6kZ}'U d3_aFs Q 人們已經(jīng)制成了輸出功率超過(guò)1kW的單光纖、單模輸出光纖激光器。此外，對(duì)于預(yù)期的熱負(fù)載以及光纖的光學(xué)損傷閾值的考慮表明，光纖激光器的輸出功率有望提升到10kW，這將適用于高功率工業(yè)及航空應(yīng)用。目前，一些研究小組正在研究功率合并以及功率提升到幾千瓦單光纖水平。然而要達(dá)到這一水平需要開(kāi)發(fā)亮度更高的泵浦源和特制的有源光纖，以進(jìn)行精確的模式控制，并抑制光學(xué)非線性。
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pR&&uG IUAx*R 通過(guò)使用不同的有源摻雜物（包括鉺、鉺－鐿、釹、銩）或者利用光學(xué)非線性（例如拉曼增益），光纖激光器還可以提供更多的輸出波長(zhǎng)。
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事實(shí)證明，光纖激光器具有出色的性能、輸出功率放大能力，以及更寬的輸出波長(zhǎng)范圍。它們不僅對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用起到了增強(qiáng)作用，還將在工業(yè)領(lǐng)域找到新的用武之地�？梢灶A(yù)見(jiàn)，光纖激光器的市場(chǎng)份額必將日益擴(kuò)大。
