光纖激光器具有諸多好處，例如長壽命、低復(fù)雜度、降低運(yùn)行成本以及維護(hù)要求低。如今，可以在繁多的基于光纖的產(chǎn)品中，找到功率量級與過去采用二氧化碳激光器的應(yīng)用需求相匹配的光纖激光器。
光纖激光器最早于1961年歸功于Elias Snitzer，并于1962年由美國通用電氣公司(GE)和美國國際商用機(jī)器公司(IBM)的兩個(gè)小組，首次演示驗(yàn)證了從半導(dǎo)體二極管發(fā)射相干光(首臺(tái)二極管激光器)。從此以后，光纖激光器技術(shù)的功率量級得以極大提高，達(dá)到了成熟的、“歷史性的”二氧化碳激光器技術(shù)的水平。正是在這50千瓦平均功率的量級上，技術(shù)方面的差異引出最清晰的焦點(diǎn)：一個(gè)50千瓦的二氧化碳激光器占據(jù)了一間小房子的空間，而一個(gè)50千瓦光纖激光器僅占用接近一個(gè)大的冷凍柜空間。
光纖激光器的其他各項(xiàng)好處，例如使用方便、結(jié)構(gòu)組成簡單、接近零維護(hù)、轉(zhuǎn)換效率高以及運(yùn)行成本低等，已被廣泛接受。因?yàn)橐恍┯脩魰?huì)更喜歡與熟悉的產(chǎn)品和技術(shù)，因?yàn)橐恍┯脩魧幙梢恢辈捎靡咽煜さ漠a(chǎn)品和技術(shù)，以及保持與激光器供應(yīng)商之間已建立關(guān)系，目前采用的二氧化碳技術(shù)始終難以被取代。
光纖激光器結(jié)構(gòu)
光纖激光器包括一系列物理性拼接在一起的光纖構(gòu)件，使激光束不離開光纖組成的光纜，直至激光束從聚焦于工件的光纖顯現(xiàn)。當(dāng)這種工程方法與使用單發(fā)射泵二極管相結(jié)合時(shí)，其結(jié)果是可獲得最強(qiáng)大和持續(xù)時(shí)間最長的激光工具。單發(fā)射泵二極管的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)壽命達(dá)到30萬小時(shí)。雖然這是以可靠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，但這些數(shù)值實(shí)在太高，有些激光器用戶難以置信?；蛟S，給予這些典型電信壽命時(shí)間數(shù)值的可信度缺乏，至少部分地是因?yàn)榕c采用二極管條或者二極管堆棧作泵有關(guān)的壽命時(shí)間問題。就在光纖激光器問世之前，許多以二極管條、特別是二極管堆棧作泵的固態(tài)(DPSS)激光器，其可靠性聲譽(yù)相當(dāng)差。
光纖激光器技術(shù)面臨著許多挑戰(zhàn)：對背向反射的敏感性；隨著時(shí)間推移，神秘光子暗化效應(yīng)或者光纖退化；以及最近認(rèn)知的，切割厚度大于15毫米的材料時(shí)，各種紅外(IR)固態(tài)激光器(盤和光纖兩者)，與二氧化碳激光器之間的差異。雖然對于解決這些問題的完整解釋超出了本文的范疇，但所有這些問題現(xiàn)在已經(jīng)得到解決。
低功率光纖激光器的發(fā)展
由于在譜系高低功耗兩端的大批量銷售，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了垂直整合所取得的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。在低功率的檔次上，低功率光纖激光器的銷量已使閃光燈泵激光打標(biāo)機(jī)的銷量黯然失色。已經(jīng)售出了數(shù)以萬計(jì)的這種低功率裝置，幾乎每一個(gè)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)制造商在其產(chǎn)品陣容都有一個(gè)基于光纖激光器的打標(biāo)機(jī)。
已有必要在對光纖激光器科學(xué)的深入理解基礎(chǔ)上，覆蓋整個(gè)激光器功率范圍，嚴(yán)格控制各個(gè)光纖激光器系統(tǒng)中每一個(gè)基于光纖組件的技術(shù)指標(biāo)。這已導(dǎo)致構(gòu)建一個(gè)能夠加以混合和匹配，形成廣泛激光器系列的光纖組件的大型“工具箱”。對超短脈沖激光器業(yè)界正在生產(chǎn)和使用的光纖激光器產(chǎn)品系列的簡要考查說明了這一點(diǎn)。
在低平均功率領(lǐng)域里，這項(xiàng)可擴(kuò)展模塊化技術(shù)走向何方？答案是，在許多不同的方向。在產(chǎn)品范疇的低功率端，我們將介紹一部分，但并非所有的方向。
納秒至毫秒級脈沖的光纖激光器
直到最近，標(biāo)準(zhǔn)納秒激光打標(biāo)模塊已能滿足大多數(shù)一般激光打標(biāo)應(yīng)用要求。這些激光器的功率量級達(dá)到50瓦，具有同樣的足跡，沒有亮度衰減。
要求高平均功率和高亮度的組合，維持表中所示高的消融效率。實(shí)際上，有此類相同激光器的衍生產(chǎn)品，可以提供高達(dá)500瓦的平均功率，脈沖能量達(dá)50兆焦耳。這種激光器最令人興奮的新應(yīng)用，包括高速清除一定范圍的薄膜和涂層。
20瓦功率量級的可變脈沖長度的光纖主振蕩器功率放大器(MOPA)系統(tǒng)已有多年了，其脈沖長度短至4納秒。直到最近，由于用戶更加熟悉先進(jìn)的激光打標(biāo)技術(shù)，這項(xiàng)額外的細(xì)化得到欣賞。有一個(gè)例子是使用低納秒激光，在幾乎完全是亞表面的聚碳酸脂中形成黑色標(biāo)記，這滿足了要求最低表面破壞的應(yīng)用。這一過程中另外一項(xiàng)有趣的發(fā)展，是為隨后使用相同的納秒紅外激光的聚合物焊接過程，使用此標(biāo)記作為吸收體。
對于金屬的另一個(gè)例子是稱為“暗色標(biāo)記”的技術(shù)。這就是熟知的醫(yī)療器械工業(yè)用不銹鋼件上高對比度、難以拭除的耐腐蝕標(biāo)記。常用于這種技術(shù)的、技術(shù)上并不正確的術(shù)語是“退火標(biāo)記”。在這種情況下，以高重復(fù)率使用低功率激光技術(shù)，確保 各種不銹鋼件表面上高的點(diǎn)重疊和均勻的、局部的加熱，產(chǎn)生光滑無裂紋，而又具有高對比度的耐腐蝕涂層。因?yàn)闆]有表面中斷，這種特殊的標(biāo)記被廣泛用于手術(shù)器械上。
雖然普遍認(rèn)為，在各種情況下首選短的脈沖長度或者脈沖持續(xù)時(shí)間，但脈沖長度只是這種加工中所涉及到的幾個(gè)重要變化因素之一：還要求一定量級的脈沖能量和通量或峰值功率密度，也就是亮度的重要性。已經(jīng)有了這種類型激光器的下一代產(chǎn)品，其M2低至1.2(有人會(huì)稱其為單模)，脈沖長度降至1納秒，峰值功率達(dá)40千瓦。皮秒級的式樣將于2012年初問世。
微秒至毫秒的高脈沖能量光纖激光器
另一項(xiàng)最近的發(fā)展被稱為準(zhǔn)連續(xù)波(QCW)光纖激光器。這是將光纖激光器帶入閃光燈泵激光器技術(shù)最后堡壘之一的光纖激光器概念的另一項(xiàng)延伸：高脈沖能量，低占空比激光加工。在這種情況下，垂直整合和極具成本效益的泵二極管制造，對非線性閾值的理解以及精心的設(shè)計(jì)，已經(jīng)能夠造出60焦耳最大脈沖能量的可靈活調(diào)整系列的激光器。150瓦最低功率級的激光器，在與閃光燈泵激光器相同的10毫秒脈沖長度中，具有15焦耳和10赫茲的能力。
在單模光纖中真的能產(chǎn)生這種60焦耳的脈沖能量？顯然，問題現(xiàn)在已經(jīng)有了肯定的答復(fù)，但現(xiàn)實(shí)世界中很少有應(yīng)用場合實(shí)際上需要這樣的脈沖能量水平。試驗(yàn)表明，激光器不僅可以產(chǎn)生許多低功率焊接應(yīng)用所需的大型核焊直徑的種類，而且還能夠切割若干毫米厚的高反射率材料，例如鋁和銅。
按時(shí)間成形的毫秒脈沖
準(zhǔn)連續(xù)波激光器的最新能力增加，是稱為脈沖信號發(fā)生器(PSG)的激光控制包，從而能夠?qū)棋珨?shù)量的復(fù)雜時(shí)間脈沖進(jìn)行編程。
許多年以前，時(shí)間脈沖控制就已廣泛用于閃光燈泵激光器，并且視為對于某些點(diǎn)焊應(yīng)用至關(guān)重要。為了防止在重疊的激光點(diǎn)焊焊縫端部出現(xiàn)與偽鎖孔塌陷相關(guān)的多孔疏松，要求在激光脈沖結(jié)尾有緩慢的斜波下降時(shí)，這種需求上升。在這種情況下光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)是，泵二極管具有比傳統(tǒng)的閃光燈泵激光器所采用的閃光燈更短的接通時(shí)間。因此，有可能采用更短的脈沖長度增量或部分，和更為復(fù)雜的波形。
對于異種金屬焊接和高反射率金屬焊接等復(fù)雜的微焊接(microwelding)技術(shù)，脈沖整形能力非常重要(參見圖4)。兩個(gè)時(shí)間脈沖形狀效果的對比，表示了位于標(biāo)準(zhǔn)波形之上埃格利斯(Eglise)波形的優(yōu)點(diǎn)(參見圖5)?？梢詫r(shí)間脈沖形狀和各個(gè)脈沖，針對各項(xiàng)焊接應(yīng)用進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，改善固化條件。未來將報(bào)告進(jìn)一步的金相分析結(jié)果。鑒于缺乏冷凝形成的同心波紋和在單次激發(fā)點(diǎn)焊中心縮減的管線，建議在固化過程期間采納更強(qiáng)的阻尼。
圖4 脈沖信號發(fā)生器(PSG)產(chǎn)生埃格利斯脈沖波形
圖5 表示了a)標(biāo)準(zhǔn)的10毫秒方波脈沖和b)帶有8毫秒拖尾的10毫秒埃格利斯(Eglise) 脈沖形狀。
圖(b)中所示缺乏冷凝的同心波紋和單次激發(fā)點(diǎn)焊中心處縮減的管線，
建議在固化過程中采納更強(qiáng)的阻尼
較長波長的光纖激光器
發(fā)射光譜范圍在1.5～2微米的鉺和銩棒激光器已存在一段時(shí)間，但以前沒有被用于材料加工。多年以來，已經(jīng)將高亮度光纖激光器的各種改型用于各種醫(yī)療和航空應(yīng)用場合。
許多聚合物在這些波長上具有增加的吸收能力；只是在最近才確定，這種量級的吸收適用于焊接透明聚合物，從而消除了對特定紅外吸收劑的需求。當(dāng)使用單模的高亮度激光器時(shí)，甚至準(zhǔn)直光束都能產(chǎn)生足夠的功率密度，在對接和搭接的焊接形式中形成高品質(zhì)的光學(xué)透明連接。在表中顯示了幾種類型聚合物的吸收情況。
取得這些進(jìn)步的驚人速度，證明了光纖激光器概念固有的可擴(kuò)展性。光纖激光器專家充分認(rèn)識(shí)到了所涉及的非線性閾值，能夠加入更多的光纖和更多的泵二極管，實(shí)現(xiàn)至更強(qiáng)大功率的擴(kuò)展。
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