光纖激光器發(fā)展的前世今生

來源：激光制造網(wǎng)

早期的光纖激光器效率低、功率低，局限也大，直到出現(xiàn)了可以將泵浦光束傳送到包層的更有效方法。IPG Photonics公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Valentin Gapontsev，在利用多個單發(fā)射極二極管激光器將側邊泵浦光束發(fā)送到大面積包層領域，享有“先驅”的盛譽。

這是一種可以克服以前發(fā)射方法局限性的方法——側邊泵浦光束法有助于釋放光纖激光器的真正潛力，開啟了高功率光纖激光器和放大器的新時代，并徹底改變了光纖技術的進一步發(fā)展，促進了光纖激光器在工業(yè)、科學和醫(yī)療設備等不同應用領域的大規(guī)模采用。工業(yè)光纖激光器的發(fā)展可劃分為兩個階段，特征分別是功率合成器和亮度轉換器。

第一階段的功率合成器包含多個激光二極管泵浦封裝，旨在有效地將它們的多模光組合成無源傳輸光纖。使用冗余的單發(fā)射極二極管封裝，可以確保激光器的高可靠性。該激光器的光學腔內(nèi)有兩個光纖布拉格光柵鏡，位于中央單模芯，是一種摻雜了多種稀土元素的包層高純度光纖。

這個光學腔將低質量的二極管光轉換為單模激光光束。其中一個光纖布拉格光柵作為全反射器，另一個作為部分反射器或輸出耦合器。多模包層中沒有摻雜其他元素，作用只是散發(fā)二極管泵浦光。光纖激光器的固態(tài)結構，使它不受灰塵、水分和自由空間空氣擾動等環(huán)境因素的影響。

整體泵送方法的電效率超過50%，單個模塊的單模輸出功率約為2kW-3kW。可以直接使用或組合使用單個模塊的輸出，以提供超過100 kW的高亮輸出，使得這種光纖激光器可以解決各種工業(yè)應用。

操作方式

光纖激光器可分為連續(xù)波（CW）、準連續(xù)波（QCW）、納秒脈沖、超快皮秒或飛秒脈沖等多種光波模式。連續(xù)波激光器可在額定最大輸出功率內(nèi)提供穩(wěn)定的輸出，可以根據(jù)輸出功率調(diào)制到50kHz，但調(diào)制不會增加它們的峰值功率。連續(xù)波激光在許多領域中都有應用，最顯著的莫過于切割和金屬焊接，也可用于釬焊、3D打印、熔覆和熱處理。

由10個QCW激光器產(chǎn)生的長脈沖可以使脈沖能量和峰值輸出功率增加10倍，長脈沖持續(xù)時間為10μs-100000μs。例如，平均功率為300W的QCW激光器，峰值功率為3kW，脈沖能量為30J。QCW激光器主要用于焊接、鉆孔以及特殊切割操作，如切割高反射金屬或其他材料。標準QCW模型機的峰值功率范圍為1kW-20kW，運行成本比可做同等輸出的其他競爭性激光技術低得多。

納秒脈沖調(diào)Q光纖激光器可提供從10W-2kW的平均輸出功率范圍。在1ns-1000ns范圍內(nèi)，脈沖持續(xù)時間可以固定，也可調(diào)（用戶可選擇預編程）。典型的激光脈沖能量在10W-300W內(nèi)，與用于微處理的單模光束質量接近，高達1mJ左右。根據(jù)型號不同，這些激光器可在千赫茲到兆赫之間調(diào)制。將具有更高平均功率的脈沖激光器用于高速表面處理，脈沖能量可達100mJ，就能實現(xiàn)更大的處理區(qū)域。

超快皮秒和飛秒光纖激光器的脈沖持續(xù)時間為200fs至幾個皮秒，平均功率為10W-200W，可用于各種微處理應用，包括金屬和非金屬。

一個光纖激光器的有源激光核心可以摻雜一個或多個有源原子，就能產(chǎn)生處于幾個光譜范圍中的一個標準輸出。

波長范圍

在光纖激光器的有源激光核心摻雜一個或多個有源原子，能產(chǎn)生處于幾個光譜范圍中的一個標準輸出（圖3）。例如，摻雜鐿（Yb）原子，可產(chǎn)生1030nm-1080nm之間的輸出；摻雜鉺（Er）原子，產(chǎn)生的波長在1500nm-1570nm之間；摻雜銩（Tm）原子，可產(chǎn)生1900nm-2050nm的光。將這些基本線的頻率增加一倍或三倍，就是能發(fā)出綠色光束（515nm- 550nm）和紫外光束（-355nm）的激光器。

基波鐿鉺的拉曼位移可達范圍擴大到1.15μm-1.8μm。波長的進一步倍頻使得光纖激光器可以在515nm-635 nm的可見光范圍內(nèi)工作。此外，由摻雜了銩或鉺的連續(xù)波光纖激光器泵浦的混合固態(tài)激光器，可提供1.9μm至>5μm區(qū)間的中紅外輸出。

光束空間模式

光纖激光器可以配置各種空間光束模式，以適應幾乎任何應用。這些模式指的是所用單模光纖的特性，而非熱操作點。因此，與其他固態(tài)激光器不同的是，光纖激光器會產(chǎn)生相同的光束輪廓，在其整個操作功率范圍內(nèi)（通常為額定功率的10%到100%），發(fā)散度不會變化。

單模連續(xù)波激光器具有近變形限制光束質量，可用于工業(yè)應用，要求平均功率高達10kW，最小光斑尺寸在25μm-30μm范圍內(nèi)。高亮度多模激光器的輸出光纖芯徑在50μm-600μm范圍內(nèi)，光束質量從2mm×mrad開始。所激發(fā)光束的能量分布近似高斯分布或平頂分布，核心直徑可達1mm。

對于特殊應用可能需要通過使用雙光斑模塊、三光斑光束傳輸、光束擺動或光束模式可調(diào)（AMB）等解決方案，進一步做時空能量分布。AMB光束模式可調(diào)激光器的特點是在光纖激光器的內(nèi)芯周圍有一個同軸環(huán)?？瑟毩⑶覄討B(tài)地控制中心光束和環(huán)形光束的大小和功率。AMB激光器可以提高鉆孔、切割和焊接的效果，對于鋁材的焊接效果特別顯著。在焊接鋁的過程中，通過增加環(huán)形光束，可以形成穩(wěn)定的匙孔，減少或完全消除飛濺、裂縫和氣孔。

光束模式可調(diào)激光器可獨立且動態(tài)地控制中心光束和環(huán)形光束的大小和功率，從而提高加工質量。

應用及優(yōu)勢

自20世紀90年代初以來，光纖激光器在電信、醫(yī)療以及各種高端和科學領域的應用越來越廣泛。寬波長范圍、窄線寬、偏振或非偏振發(fā)射、短脈寬、單模操作、對環(huán)境條件不敏感以及光纖激光器體積小等優(yōu)勢，使其成為應用于科學領域和政府部門的理想解決方案。在這些領域中，光纖激光器往往能夠應對其他加工技術無法解決的挑戰(zhàn)。

來到21世紀，工業(yè)光纖激光器在汽車、航空航天、重工業(yè)和運輸、消費設備、電子、醫(yī)療設備、石油和天然氣、核能、光伏、半導體制造等其他材料加工的應用正變得越來越多。

雖然早期大部分應用以金屬材料加工為主，但也有諸如熔覆與3D打印、熱處理、表面清洗以及各種微加工技術中，包括聚合物、陶瓷等其他非金屬材料的應用，并且正在快速發(fā)展。

在這些行業(yè)和應用中，工業(yè)光纖激光器已成為性能基準。得益于相對較高的輸出功率和均勻且優(yōu)異的光束質量，能夠確保加工速度快；其抗振動、抗污染、堅固緊湊的設計、高效的能源效率和高可靠性，讓投資者快速獲得投資回報。