隨著應用能力的不斷拓展，光纖激光器開始滲透到常規(guī)激光技術曾經(jīng)牢固占據(jù)的市場領域，現(xiàn)在人們提出了這樣的問題：光纖激光器應用的最終極限是什么？不管是在低功率打標應用中，還是在高功率機械與材料加工應用中，光纖激光器都以應用簡便、精度高、穩(wěn)定性好以及靈活性高等特點，使用戶從中受益，這也驅動了光纖激光器市場的快速增長。 脈沖激光器的峰值功率范圍 激光打標通常要求系統(tǒng)成本低、便于集成，并且緊湊耐用。打標應用要求激光器能夠精確地對盡可能多的材料，比如金屬、聚合物、甚至是像食物那樣的有機材料進行重復標刻。這種加工需要能在較長時間內(nèi)維持較高峰值功率的脈沖激光輸出。 脈沖光纖激光模塊性能優(yōu)異，能夠同時提供好的光束質(zhì)量（M2小于2）、可控脈沖重復率、峰值功率和能量（見圖1）。SPI公司推出的全光纖集成激光器結合了稱為“PulseTune”的脈沖整形技術，以及高增益脈沖放大采用的主振蕩器功率放大器（MOPA）構架設計。該激光模塊的平均輸出功率可達20W，能夠在很寬的參數(shù)范圍內(nèi)應用，從重復率為25kHz、單脈沖能量為0.8mJ的高能脈沖（用于硬金屬標刻）到重復率高達500kHz（這是目前的最高重復率）、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行高速標刻）。高能端對應的峰值功率通常為15～20kW，高速端（即低能端）對應的峰值功率超過1kW。位圖標刻使用的激光器可以在連續(xù)波（CW）以及功率調(diào)制的模式下進行工作，激光器的輸出波長在1祄附近。 圖1. 由于采用了脈沖整形技術和主振蕩器功率放大器（MOPA）構架，SPI 公司的光纖激光器（右圖）在高達500kHz的重復率下，輸出峰值功率超過了3kW（左圖）。常規(guī)激光源的種子脈沖形狀和重復率相互依賴，并且僅能在40kHz的重復率以下提供與光纖激光器相當?shù)男阅堋９饫w激光器能在較寬的重復率范圍內(nèi)維持高峰值功率的特性，是Q開關激光器（具有同等功率及尺寸）無法比擬的，無論是二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器還是光纖Q開關激光器。采用Q開關激光器，當重復率高于某一特定值后，再增加重復率就會導致脈沖塌陷、脈寬顯著增加，并且峰值功率顯著下降。 PulseTune MOPA方法的關鍵性創(chuàng)新在于將脈沖控制與放大級分離，這可以使脈沖寬度和峰值功率不受重復率的影響。PulseTune技術能夠在重復率高達500kHz的條件下，確保峰值功率超過3kW。常規(guī)技術受到種子脈沖形狀與重復率相互依賴的影響，僅能在40kHz重復率以下提供相當?shù)男阅堋＿@些性能差別能使加工產(chǎn)量相差十倍。 由于具有較高的參數(shù)控制能力和靈活性，除了最基本的打標應用，SPI公司的redEnergy脈沖激光器還在大量需要高附加值的領域取得了廣泛應用，例如在不銹鋼上進行彩色標刻、液晶顯示器微調(diào)以及存儲器修復等應用。這些大批量加工應用，需要對脈沖能量進行精確的可重復控制（見圖2）。 圖2. 脈沖光纖激光器能夠用于彩色標刻，例如通過對脈沖能量及重復率進行控制，可以在不銹鋼上形成色調(diào)（上圖）。在另一項應用中，人們使用重復率為250kHz的15W脈沖光纖激光器進行電阻器微調(diào)（下圖）。 連續(xù)波激光器的功率范圍 光纖激光器耐用的全光纖、全引導構架能夠實現(xiàn)瞬時輸出運轉，無需常規(guī)的調(diào)節(jié)及重新準直。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外部冷卻的需求。使用極低損耗、整體全光纖構架，可以獲得出色的光－光、電－光轉換效率和相對較高的總體效率。通過合適的設計，纖芯可以調(diào)節(jié)光束質(zhì)量，并且光纖波導結構不存在熱透鏡效應，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)量和超強的穩(wěn)定性。 通常，光纖激光器采用極為耐用的電信級單發(fā)射體寬條多模泵浦二極管作為泵浦源，因此有望對它們以超過100kHz的頻率進行快速調(diào)制。 所有這些優(yōu)點，使光纖激光器十分適合在連續(xù)波或準連續(xù)波 波運轉下放大到更高功率，來滿足微電子方面的應用需求。在這些應用中，光束質(zhì)量、精度以及穩(wěn)定性至關重要。在許多應用中，控制、改變激光加工能量和功率輸入，對加工過程起著決定性作用。例如：在薄金屬板和金屬管（印刷電路模版及動脈支架）的微切割過程中，激光功率調(diào)制對加工過程起主要作用。它可以減少諸如熱影響區(qū)（HAZ）等熱效應和殘渣，并且可以使切口寬度小于20祄。 由于采用了專有的GTWave技術，SPI公司的200W單模OEM激光系統(tǒng)具備優(yōu)異的光學輸入/輸出響應（見圖3）。它的工作波長在1祄波段，輸出為單模，并且光－光轉換效率高于50%，最大輸出功率對應的均方根噪聲小于1%，因此適用于需要進行精確控制和極高重復率的工業(yè)應用。這類激光器（100W、150W、200W）能夠用于超精細切割、精細雕版、金屬粉末燒結（快速原型裝置制造）以及普通的切割與焊接領域。人們已經(jīng)設計出系統(tǒng)構架、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）運轉模式。 圖3. SPI公司的200W單模OEM激光系統(tǒng)具備優(yōu)異的光學輸入/輸出響應（上圖）。在脈沖重復率為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)信號強度，能使激光腔快速耗盡，使連續(xù)波調(diào)制運轉的頻率可提高到100kHz以上。 新興應用 除了強化甚至是取代很多要求極高的工業(yè)與醫(yī)學應用方案外，隨著在性能和靈活性方面的進步，光纖激光器的一些新興應用領域正在逐步涌現(xiàn)（見圖4）。 圖4. 光纖激光器在一些新的應用領域找到了用武之地，例如對硅晶片進行加工。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快速原型化部件的制造，例如通過燒結鈦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)點以及將其提高到更高功率水平的關鍵。即使是結合處、光纖錐以及泵浦注入耦合器處百分之幾的耦合損耗，都會導致局部若干瓦的熱耗散。末端泵浦以及V形槽邊泵浦等單點注入技術，會導致“熱點”出現(xiàn)以及產(chǎn)品過早損壞。對此，SPI公司推出了一項專利方案，使用包層覆蓋的一根有源光纖和一根泵浦光纖構成的復合光纖（GTWave），進行多端口多點泵浦注入。入射到泵浦光纖的泵浦光能量逐漸耦合到有源光纖，即在整個光纖長度內(nèi)采取分布耦合的方式，從而避免了“熱點”的出現(xiàn)，并且便于輸出功率的提高。 除增加泵浦注入端口的數(shù)量外，GTWave信號光纖末端保持自由以進行連接，從而無需阻隔信號光路就可以對若干單元進行級聯(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450W。這一功率水平將進一步推動光纖激光器向工業(yè)應用領域滲透。 市場前景 人們已經(jīng)制成了輸出功率超過1kW的單光纖、單模輸出光纖激光器。此外，對于預期的熱負載以及光纖的光學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。然而要達到這一水平需要開發(fā)亮度更高的泵浦源和特制的有源光纖，以進行精確的模式控制，并抑制光學非線性。 通過使用不同的有源摻雜物（包括鉺、鉺－鐿、釹、銩）或者利用光學非線性（例如拉曼增益），光纖激光器還可以提供更多的輸出波長。 事實證明，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范圍。它們不僅對現(xiàn)有應用起到了增強作用，還將在工業(yè)領域找到新的用武之地。可以預見，光纖激光器的市場份額必將日益擴大。