光纖激光器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

?? 隨著上世紀(jì)90年代末電信市場(chǎng)的崩潰，光纖激光器制造商已將工作重心轉(zhuǎn)向滿足工業(yè)制造、軍事、醫(yī)療以及航天領(lǐng)域的需求。

過(guò)去，光纖激光器廣泛應(yīng)用于電信產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，可使高質(zhì)量單模低功率系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間達(dá)到約25年，確保只要通信技術(shù)安裝之后，就可以一勞永逸，根本不用為其擔(dān)心了。從電信向其他產(chǎn)業(yè)的這一轉(zhuǎn)變需要相應(yīng)的高低功率激光技術(shù)，重點(diǎn)要滿足一定的操作和性能目標(biāo)，從而占據(jù)價(jià)值數(shù)十億激光材料處理市場(chǎng)的一部分份額。目前市場(chǎng)上銷售的各種光纖激光器技術(shù)種類之多令人吃驚，可滿足各種工業(yè)應(yīng)用的需求。

功率級(jí)小于200W的低功率單模系統(tǒng)正在微處理標(biāo)記和醫(yī)療應(yīng)用中得到越來(lái)越多的采用，同時(shí)該技術(shù)也在向高功率級(jí)方向快速發(fā)展，不會(huì)損壞光纖。此外，其還為激光材料處理應(yīng)用開辟了新的天地。

各廠商均推出了光纖激光器系統(tǒng)和元件。GSI推出的商業(yè)產(chǎn)品系列的輸出功率高達(dá)200W，明年可達(dá)2千瓦，而IPG的產(chǎn)品輸出功率則小于10kW。IMRA、Spectra- Physics Inc、Synchronous Inc及Optigain Inc等制造商主要經(jīng)營(yíng)低功率和短脈沖領(lǐng)域。顯然，單模光纖激光器已率先占據(jù)了其它低功率激光器技術(shù)的一部分市場(chǎng)份額，與現(xiàn)有的CO2和燈泵浦 Nd:YAG技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。本文將重點(diǎn)討論高功率光纖激光器技術(shù)的近期發(fā)展，并探討現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將為當(dāng)今對(duì)技術(shù)不斷提出更高要求的制造產(chǎn)業(yè)帶來(lái)何種新機(jī)遇。
?
?光纖激光器設(shè)計(jì)?

?高功率光纖激光器小巧可靠，在光束質(zhì)量和功率轉(zhuǎn)換效率（大約20％）方面優(yōu)于燈泵浦Nd:YAG激光。光纖激光器含有一個(gè)長(zhǎng)光纖激光器腔（約12米），沿整個(gè)長(zhǎng)度方向分配泵浦能量。高效率可以減少熱管理問(wèn)題，而余熱可以沿整條光纖消散。大部分摻稀土硅光纖激光器都是由輸出分別約為 1550nm與1060nm的Er或Yb摻質(zhì)物組成。與1550nm輸出相比，1060nm輸出時(shí)可實(shí)現(xiàn)更高的效率。橫電磁模分布由纖芯的導(dǎo)波特性控制。寬度為數(shù)十微米的窄光纖可以實(shí)現(xiàn)單模操作，而更高的纖芯直徑可以產(chǎn)生更高階模式。?

?在設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠的光纖激光器系統(tǒng)過(guò)程中，一系列其他基于光纖的元件可以構(gòu)建單片式“全光纖”激光腔。其他文獻(xiàn)已經(jīng)廣泛探討了全光纖設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，其中兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是無(wú)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和外露光學(xué)表面。這些功能元件中最主要的是泵浦合束器和布拉格光柵反射器。圖1是我們?cè)O(shè)計(jì)的此類光纖激光器腔的示意圖。輸出光纖采用直徑低于10微米的單模纖芯，其可以確保高質(zhì)量光束輸出。此架構(gòu)旨在能夠在水冷散熱片構(gòu)造中產(chǎn)生高達(dá)500W輸出功率，并且達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)二極管整體使用壽命，同時(shí)能夠在室內(nèi)空氣溫度達(dá)到35℃情況下采用強(qiáng)制空氣冷卻產(chǎn)生高達(dá)120W輸出功率，并且可靠性與二極管相當(dāng)。?

?光纖激光器系統(tǒng)的性能與可靠性取決于泵浦激光二極管。過(guò)去十年來(lái)，能夠在900～980nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生數(shù)瓦輸出功率的多模二極管泵浦源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用。有些泵浦源具有極高的可靠性，其正常工作條件下的平均無(wú)故障時(shí)間已經(jīng)超過(guò)50萬(wàn)小時(shí)。結(jié)合適當(dāng)冗余性，MTBF超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)的此類泵浦源都能夠用于構(gòu)建輸出功率達(dá)到數(shù)百瓦的光纖激光器。

?
?應(yīng)用于顯微機(jī)械加工?

?對(duì)于需要優(yōu)異模質(zhì)量和高聚焦性能來(lái)實(shí)現(xiàn)小形體尺寸的顯微機(jī)械加工工藝，這些新型激光器能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。多年來(lái)，脈沖 Nd:YAG激光一直是金屬精密切割、精細(xì)焊接和鉆孔的首選。在1微米波長(zhǎng)附近，與同等二氧化碳激光器相比，其聚焦光學(xué)鏡更小，更簡(jiǎn)單，而且可以實(shí)現(xiàn)更小的光點(diǎn)尺寸。超精密顯微機(jī)械加工對(duì)更高效、小巧、高光束質(zhì)量激光器的需求推動(dòng)了光纖激光器開發(fā)工作的快速增長(zhǎng)。這些激光器在IR光譜區(qū)附近工作，與傳統(tǒng)激光相比具有多種優(yōu)勢(shì)，而且在實(shí)現(xiàn)新的顯微機(jī)械加工應(yīng)用方面具有更大潛力。
?醫(yī)療行業(yè)是激光微切割最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，光纖激光正在逐步替代脈沖燈泵Nd:YAG激光。由于以下兩個(gè)基本原因，醫(yī)療設(shè)備一般很小：一是它們通常需要安裝到狹小區(qū)域；二是其制作材料昂貴，減少尺寸也就是降低成本。能夠在僅有幾微米區(qū)域工作的激光器是精巧、昂貴設(shè)備的理想解決方案。醫(yī)療設(shè)備行業(yè)對(duì)微切割需求最強(qiáng)烈的應(yīng)用可能是支架切割。支架是一種永久插入動(dòng)脈的纖細(xì)、格狀金屬管。其有助于擴(kuò)張動(dòng)脈，疏通血流。這種插入到患病冠狀動(dòng)脈中的圓柱形金屬支架，能使血液恢復(fù)充分流通。支架所用材料包括316L不銹鋼或鎳鈦合金（形狀記憶合金）。管的典型直徑為1～10毫米，壁厚約 100微米。關(guān)鍵是切口寬度要小（20～30微米），這就要求光纖激光器需提供較高的光束質(zhì)量與激光功率穩(wěn)定性。激光切割必須具有較高的表面質(zhì)量，較小的熱影響區(qū)域，而且無(wú)殘?jiān)D2是經(jīng)過(guò)切割與超聲波清洗器清洗后的典型支架SEM顯微圖。利用100W光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)超高輪廓精度（<5微米）的無(wú)殘?jiān)懈睿▽挾葹?0微米）。采用單模激光輸出以及氮?dú)廨o助氣體，切割厚度為0.5毫米的316L不銹鋼的典型速度大約為5米／分鐘。圖3是氧氣和氮?dú)庵g的不銹鋼切割速度對(duì)比圖。相關(guān)切割數(shù)據(jù)來(lái)自GSI 100W單模光纖激光器。?

?光纖激光器也是SMT模板制作的理想選擇。可以在厚度為250～500微米的不銹鋼中制作各種形狀的精密輪廓。

除了適用于黑色金屬和非金屬薄片，光纖激光器在切割厚的多晶硅（硅片）方面也頗具優(yōu)勢(shì)。多晶硅材料非常脆，在激光切割過(guò)程中極易破裂。迄今，脈沖燈泵Nd:YAG已經(jīng)成功用于切割此類材料。最初采用單模100W光纖激光器在GSI上進(jìn)行的切割實(shí)驗(yàn)在切割速度、切割邊角質(zhì)量和細(xì)裂紋（長(zhǎng)度約10～15微米）方面取得了非常令人振奮的成果。這和采用脈沖Nd:YAG激光源十分接近，只是因?yàn)闂l紋比Nd:YAG激光器差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而在邊緣質(zhì)量方面僅稍遜一些。
?
?應(yīng)用于微焊接?

?由于單模光纖激光器具有高光束質(zhì)量，因此在焊接黑色金屬和有色金屬材料薄片時(shí)可以實(shí)現(xiàn)很高的焊接速度。采用GSI單模光纖激光器已經(jīng)證明能夠?qū)崿F(xiàn)鈦及不銹鋼的薄片、高縱橫比焊接以及小孔焊接。低功率單模光纖激光器可用于各種材料的點(diǎn)焊、傳導(dǎo)焊接以及小孔焊接，這些材料包括低碳鋼、 Inconel、鍍鋅鋼、鋁合金、銅合金、不銹鋼以及鈦合金等。?

?利用CW光纖激光器只能焊接最大厚度為1毫米的不銹鋼，而利用配置高功率、增強(qiáng)型控制以及復(fù)雜脈沖成形設(shè)備的高精度、低平均功率Nd:YAG激光器可以提高眾多材料的微焊接靈活性。利用脈沖（脈沖成形）中時(shí)間能量變化的正確成形，可以實(shí)現(xiàn)各種材料的高質(zhì)量焊接，其中包括鋁合金、銅合金以及異金屬材料等高反射比材料。?

?由于具有很高的光束質(zhì)量和小光點(diǎn)直徑，單模光纖激光器非常適合微切割。但是由于目前其脈沖能量和峰值功率較低，而且脈沖寬度很窄，因此此類激光并非微焊接應(yīng)用的首選。
?
?應(yīng)用于宏觀機(jī)械加工?

?當(dāng)前，各種用戶仍然在對(duì)高功率光纖激光進(jìn)行評(píng)估，其主要應(yīng)用包括汽車、航空航天以及造船等行業(yè)。在汽車行業(yè)，光纖激光用于白車身焊接、激光拼焊板以及液壓成形切割等。與傳統(tǒng)的燈泵浦Nd:YAG激光相比，光纖激光因具備優(yōu)異的光束質(zhì)量而可用于汽車行業(yè)的遠(yuǎn)距離焊接。?

?顯然，此類激光能夠?qū)崿F(xiàn)極高的焊接速度以及深度穿透力。但是，解決利用小光點(diǎn)直徑和高光束質(zhì)量焊接厚板材時(shí)存在的問(wèn)題仍然有待進(jìn)一步改進(jìn)，如：部件裝配，更重要的是深度穿透小孔產(chǎn)生的激光誘導(dǎo)等離子體／異質(zhì)物。此類等離子／異質(zhì)物會(huì)妨礙焊透深度，造成熔池中心蒸汽填充小孔的不穩(wěn)定性，從而造成粗孔隙，對(duì)于厚度超過(guò)4毫米的材料尤其如此。