光纖激光器的設(shè)計及應(yīng)用

?? 隨著上世紀(jì)90年代末電信市場的崩潰，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)的平均無故障時間達到約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)，重點要滿足一定的操作和性能目標(biāo)，從而占據(jù)價值數(shù)十億激光材料處理市場的一部分份額。目前市場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)用中得到越來越多的采用，同時該技術(shù)也在向高功率級方向快速發(fā)展，不會損壞光纖。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200W，明年可達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)的一部分市場份額，與現(xiàn)有的CO2和燈泵浦 Nd:YAG技術(shù)競爭。本文將重點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)今對技術(shù)不斷提出更高要求的制造產(chǎn)業(yè)帶來何種新機遇。
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?光纖激光器設(shè)計?

?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長光纖激光器腔（約12米），沿整個長度方向分配泵浦能量。高效率可以減少熱管理問題，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輸出時可實現(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)計穩(wěn)定、可靠的光纖激光器系統(tǒng)過程中，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。其他文獻已經(jīng)廣泛探討了全光纖設(shè)計的優(yōu)勢，其中兩個主要優(yōu)勢是無光學(xué)對準(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是我們設(shè)計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500W輸出功率，并且達到10萬小時二極管整體使用壽命，同時能夠在室內(nèi)空氣溫度達到35℃情況下采用強制空氣冷卻產(chǎn)生高達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。過去十年來，能夠在900～980nm波長范圍內(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故障時間已經(jīng)超過50萬小時。結(jié)合適當(dāng)冗余性，MTBF超過10萬小時的此類泵浦源都能夠用于構(gòu)建輸出功率達到數(shù)百瓦的光纖激光器。

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?應(yīng)用于顯微機械加工?

?對于需要優(yōu)異模質(zhì)量和高聚焦性能來實現(xiàn)小形體尺寸的顯微機械加工工藝，這些新型激光器能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。多年來，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，更簡單，而且可以實現(xiàn)更小的光點尺寸。超精密顯微機械加工對更高效、小巧、高光束質(zhì)量激光器的需求推動了光纖激光器開發(fā)工作的快速增長。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，而且在實現(xiàn)新的顯微機械加工應(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。由于以下兩個基本原因，醫(yī)療設(shè)備一般很?。阂皇撬鼈兺ǔＰ枰惭b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)對微切割需求最強烈的應(yīng)用可能是支架切割。支架是一種永久插入動脈的纖細(xì)、格狀金屬管。其有助于擴張動脈，疏通血流。這種插入到患病冠狀動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?。?0～30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，而且無殘渣。圖2是經(jīng)過切割與超聲波清洗器清洗后的典型支架SEM顯微圖。利用100W光纖激光器可以實現(xiàn)超高輪廓精度（<5微米）的無殘渣切割（寬度為20微米）。采用單模激光輸出以及氮氣輔助氣體，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是氧氣和氮氣之間的不銹鋼切割速度對比圖。相關(guān)切割數(shù)據(jù)來自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?？梢栽诤穸葹?50～500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。多晶硅材料非常脆，在激光切割過程中極易破裂。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上進行的切割實驗在切割速度、切割邊角質(zhì)量和細(xì)裂紋（長度約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，只是因為條紋比Nd:YAG激光器差幾個數(shù)量級，從而在邊緣質(zhì)量方面僅稍遜一些。
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?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可以實現(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）中時間能量變化的正確成形，可以實現(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。
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?應(yīng)用于宏觀機械加工?

?當(dāng)前，各種用戶仍然在對高功率光纖激光進行評估，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，解決利用小光點直徑和高光束質(zhì)量焊接厚板材時存在的問題仍然有待進一步改進，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，對于厚度超過4毫米的材料尤其如此。