在一個平均功率足夠高且每瓦成本控制在1美元，由此立即吸引到客戶并將其用于實際工業(yè)應(yīng)用的激光器中，通常難以存在兩種不同的激光波長，但是摻銩（Tm）光纖激光器恰恰能做到這一點。這種100W級別的激光器最初是開發(fā)應(yīng)用于外科手術(shù)中的，但現(xiàn)在卻在許多意想不到的其他應(yīng)用領(lǐng)域有著獨特的功能，本文將介紹這些功能。
迄今為止的光纖激光器
幾乎與所有的光纖激光器一樣，高功率千瓦級光纖激光器使用鐿作為活性介質(zhì)。這種激光器最重要的特性是通過將這種活性介質(zhì)泵入光纖自身來產(chǎn)生光束。整個光束路徑都包含在一個連續(xù)的光纖里。
全世界已形成使用光纖激光器和光纖激光技術(shù)的行業(yè)趨勢，平均功率為100kW的光纖激光器的交付使用已經(jīng)在業(yè)界創(chuàng)造了一個了不起的記錄。千瓦級光纖激光器在最大的工業(yè)激光市場——平板切割市場中的進步，揭示出光纖激光技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者們，仍然認為這個市場存在著巨大的增長空間。
納秒級脈沖光纖激光器在激光打標(biāo)和微加工行業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，使用活性和惰性光纖部件的皮秒級和飛秒級激光器在高精度激光微加工市場同樣取得了進步。微秒和毫秒級準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）光纖激光器也在快速取代現(xiàn)有的燈泵浦激光技術(shù)，用于低占空比、高脈沖能量焊接和切割操作。同樣地，光纖激光器部件被廣泛用于更短波長的激光器。
鑭的角色
本文的重點是關(guān)于短波紅外（SWIR）光纖激光器波長。值得注意的是，高功率光纖激光器產(chǎn)生于電信行業(yè)，所有的早期光纖高摻雜摻鉺光纖放大器（EDFA）設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)波長是在1540nm范圍內(nèi)。因此， 領(lǐng)先的光纖激光器制造商從未僅集中在一個波長。
也許最好的起點是元素周期表。在工業(yè)固體激光器中作為活躍介質(zhì)的所有稀土元素都是鑭系家庭成員。
從表1中我們可以看到，相鄰的鈥、鉺、銩和鐿（Yb）元素具有相似的物理性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)。這在一定程度上解釋了為什么它們都在活躍的光纖中作為摻雜物。然而，發(fā)射波長并沒有隨著元素周期表中原子序數(shù)的增加而增加，其原因超出了本文的范圍，表2 中給出了主要的發(fā)射波長。
短波紅外（SWIR）和中波紅外（MWIR） 激光器的簡要回顧
最近學(xué)術(shù)界和業(yè)界對于SWIR 1.4-2.1μm光譜區(qū)的興趣與日俱增?，F(xiàn)在有幾個供應(yīng)商的商業(yè)光纖激光器、固體激光器、直接二極管激光器系統(tǒng)可用。
早期激光波長狀況的發(fā)展推動力是外科和牙科應(yīng)用，因為SWIR波長可以改善吸水特性，將會在本文后面討論。第一個開發(fā)出的激光器是發(fā)射波長為2.1μm 的YAG激光器，因為吸水特性，光束產(chǎn)生的表面組織會消融在人體內(nèi)，切口很精確，熱損傷區(qū)也很?。s 0.5mm）。
二十世紀(jì)九十年代中期，因為電信行業(yè)的繁榮，以電信行業(yè)發(fā)射波長為1.53-1.56μm區(qū)域的EDFA為基礎(chǔ)的光纖激光器得以加速發(fā)展。銩在元素周期表中與鐿相鄰，所以這既顯示了摻鐿激光器也顯示了摻銩激光器的前景。這些激光器的發(fā)射波長范圍是1.9 -2.1μm，由于其他的手術(shù)應(yīng)用如激光碎石術(shù)及其他泌尿手術(shù)的受歡迎而得以發(fā)展。
在這個波長區(qū)域，Q開關(guān)或鎖模脈沖激光器也被發(fā)展作為激光驅(qū)動粒子加速、更高的諧波生成、低功耗對眼睛安全的激光雷達、中紅外（中IR）頻率生成的泵浦源。通過光學(xué)參量振蕩器(OPO)或超連續(xù)光譜生成來進行非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換。這些脈沖源的高峰值功率允許向更高波長進行高效地非線性轉(zhuǎn)換。在分子傳感應(yīng)用中，特別希望使用中紅外輻射，由于其多種分子的吸收特性，通常被稱為“分子指紋”區(qū)域。
在MWIR 2-5μm的區(qū)域，能直接產(chǎn)生長波長輻射的激光器也變得可用，但應(yīng)該注意的是，當(dāng)波長超出2.1μm時， 使用傳統(tǒng)的硅酸鹽玻璃成為問題。在這個波長范圍內(nèi)，需要使用氟化物、碲化或硫族化物玻璃傳輸光纖。
這些波長可以用于各種各樣的應(yīng)用，包括光譜、非侵入性醫(yī)療診斷、激光手術(shù)刀、遙感、自由空間通信、OPO 泵浦。也有許多與國防有關(guān)的應(yīng)用包括對抗措施、爆炸危害的遠程檢測、精確制導(dǎo)武器的自動尋向彈頭、隱蔽通信系統(tǒng)都需要各種不同的波長。對于這些應(yīng)用來說，其中一些在寬光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的混合光纖/晶體激光器已經(jīng)被開發(fā)出來。同時正在為這些應(yīng)用開發(fā)二極管激光器，這類激光器使用新的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在常溫下能夠產(chǎn)生的波長最高可為2.3μm。
安全問題
我們現(xiàn)在來討論利用這些波長來加工時面臨的一個非常重要的方面，在此波長范圍內(nèi)的高功率激光束有時被錯誤地稱為“人眼安全”。需要著重強調(diào)的是，在我們現(xiàn)在討論的功率和影響級別內(nèi)，沒有所謂的人眼安全的激光束。請記住這個波長是專門開發(fā)的，因為水對這種波長具有高吸收性，因此必須采取所有相關(guān)的激光安全預(yù)防措施。幸運的是，所有高質(zhì)量的激光安全護目鏡都具備高光學(xué)密度來應(yīng)對這一波長范圍。
摻銩光纖激光器
調(diào)Q開關(guān)和連續(xù)波銩光纖激光器在過去的幾年里已經(jīng)發(fā)展到更高的平均功率?，F(xiàn)在已經(jīng)有一定數(shù)量的供應(yīng)商能提供平均功率為10W的商用脈沖激光器。在這個功率上，有人可能會期待實現(xiàn)特定的燒蝕材料處理應(yīng)用，比如薄膜劃線或切割，但我不知道有任何公開發(fā)布的加工性能的技術(shù)信息，也不知道在哪個應(yīng)用上實際上大規(guī)模部署了這些激光器。開發(fā)的連續(xù)波銩光纖激光器是高平均功率的，用于一組特定的一般稱為腔道泌尿外科學(xué)的外科手術(shù)，但這些技術(shù)的細節(jié)都包含在技術(shù)醫(yī)學(xué)文獻中。事實上，可以通過可用的熔融石英玻璃光學(xué)器件和光纖來傳輸這個波長的激光束， 從而讓引入新技術(shù)更加容易?，F(xiàn)在也容易從一些專業(yè)供應(yīng)商那里獲得特定于該波長的光學(xué)涂層。在SWIR范圍內(nèi)，反射光學(xué)器件不再是問題，因為可以像二氧化碳激光器那樣使用金屬鏡子。對于工業(yè)原料處理來說，120W平均功率的可用性讓工業(yè)激光加工變得觸手可及， 尤其是考慮到與1μm激光器相比的非?，F(xiàn)實的成本模型。簡單來說，在平均功率約100W的聚焦激光束，光學(xué)現(xiàn)象發(fā)生迅速，規(guī)模大到人類肉眼清晰可見（但是受到保護）。
使用2μm連續(xù)波光纖激光器進行加工 #p#分頁標(biāo)題#e#
水和碳氫化合物分子存在于我們遇到的幾乎每一個物理對象，而且肯定存在于許多激光加工的材料中。大多數(shù)人都會同意硅是現(xiàn)代技術(shù)中最重要的一種材料。真正令人興奮的是，我們現(xiàn)在有一個實用、可靠、成本有效的激光工具，它與所有這些材料的相互作用都顯著不同。因此，讓我們仔細觀察2μm激光在不同的材料組別的影響。
準(zhǔn)金屬
在科學(xué)文獻中有充足證據(jù)指出， 準(zhǔn)金屬的吸收率是波長的強函數(shù)，衰減長度顯著增加。圖1表明，硅的吸收系數(shù)隨著激光波長從1.13μm (1.1eV)增加而逐漸減小。隨著波長進一步增加到2μm，吸收系數(shù)迅速下降。試驗證明， 在1940 nm波長時，通過一個0.7mm厚的硅晶片，可以將直徑為4.2mm的100W 平行激光束50%的激光功率傳輸出來。意料之中的是，由于鍺和硅之間的相似性，我們在鍺上看到類似的結(jié)果，而且預(yù)期在其他間接能隙材料上的傳輸能看到類似的結(jié)果。
一項專利未決技術(shù)已經(jīng)通過透射傳輸效果被開發(fā)出來，在微機電系統(tǒng)（MEMS）和微流體領(lǐng)域，該技術(shù)還可以用于一系列新的熱過程。其他一些技術(shù)， 比如通常被稱為“直接結(jié)合”和“共晶焊接”技術(shù)也可以利用這一現(xiàn)象。這些技術(shù)尤其適用于焊接完全不同的材料，比如陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體和聚合物，使用一層非常薄的特定金屬連接層，這些金屬沉積到某一接合面中。激光器可以通過一種高度局域化的方式熔化這一夾層， 從而將幾乎任何材料連接到半導(dǎo)體或任何透明組件的背后。
我們還證明了，功率密度在通過硅之后可以高到足以在靠近硅背部的另一個吸收表面產(chǎn)生燒蝕。應(yīng)該注意的是， 這適用于均質(zhì)材料，即便是一個波長的不均勻性，也可能會導(dǎo)致光散射在晶界或夾雜物上。這被認為是觀察到的導(dǎo)致材料（如小粒度的陶瓷）吸收的原因， 本質(zhì)上在1-2μm范圍內(nèi)應(yīng)該是透明的。
金屬
金屬是結(jié)構(gòu)材料，存在確定的電子能帶結(jié)構(gòu)，負責(zé)有效地吸收金屬表面的近紅外(NIR)輻射，盡管一些定性的效果表明，與NIR 1μm輻射相比，在2μm時金屬表面的反射率可能會略微增加，但我們?nèi)匀粵]有任何證據(jù)來證明效果很明顯。
非金屬
這種超群材料通常分為有機和無機化合物。因為在分子和鍵能級開始吸收，加上碳氫化合物和水分子無處不在，下面的討論將集中在碳氫化合物、C-H鍵、-OH鍵和H2O分子上。
有機熱塑性聚合物
在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用的基于碳氫鍵的材料類型中，這組是最引人注目的例子。這些材料的結(jié)構(gòu)與金屬相比有很大的差異，當(dāng)刺激分子鍵的共振頻率時，構(gòu)成商業(yè)聚合物的長鏈大分子的段可以通過延伸、彎曲或旋轉(zhuǎn)進行振蕩，這被認為是摻銩激光器波長的例子。2μm光譜范圍的這些波長已經(jīng)足夠接近基本C-H鍵的第一諧波， C-H鍵在1.7μm時進行拉伸吸收以創(chuàng)建電子振動的激勵。電子振動這個詞來源于單詞“振動”和“電子”，其含義是，在一個分子中振動和電子相互作用相互關(guān)聯(lián)和相互影響，以及在較短的波長時不太可能發(fā)生化學(xué)蝕變。正如我們在實驗室每次使用摻銩光纖激光器時看到的那樣，電子振動的實際效果是： 幾乎所有空缺聚合物在其他波長的吸收能力遠遠超過1μm波長。如圖2所示，使用激光束的時空控制，通過材料的體積進行比爾－朗伯定律吸收，可以高度可控制地熔化幾乎所有的光學(xué)透明的熱塑性聚合物。
這項新技術(shù)消除了激光透射焊接（TTLW）技術(shù)的主要局限性，也不需要特定的紅外吸收器，而且在使用TTLW技術(shù)時需要特定的紅外吸收器用來加入透明聚合物。
半晶態(tài)和非晶態(tài)聚合物
這是一個進一步影響激光加工的重要的聚合物細分類型。激光熔化商業(yè)聚合物截然不同于熔化金屬，其原因在于大量不同的聚合物類型、混合成分以及它們之間吸收特性的巨大差異。然而， 如果這個討論僅限于光學(xué)透明或半透明聚合物，這一問題變得更容易理解；很顯然，添加到這些聚合物中的成分，極少會影響到吸收特性。接下來變得明顯的區(qū)別是非晶態(tài)和半晶狀聚合物之間的區(qū)別。前文提到的由陶瓷中的材料不均勻性引起的散射效應(yīng)也是存在的，聚丙烯和聚乙烯這樣的半晶狀聚合物的散射效應(yīng)更加明顯，因此可能需要更慢的多通道加熱以避免降解，除非材料的厚度小于0.5mm。這種技術(shù)也可能會限制連接的半晶狀聚合物組件的最大厚度。壓克力(PMMA)和聚碳酸酯(PC)這樣的非晶狀聚合物通常會使用單通道在更高的升溫速率上熔化和連接，最大厚度已經(jīng)不是一個問題；然而，這種技術(shù)似乎更適合應(yīng)用與連接更薄的小型高精度聚合物組件。
目前正在與伊士曼化工進行合作，來比較激光鍵的強度與超聲焊接的強度。被調(diào)查的材料是高透明聚酯（COPET），這是一個極佳的不含雙酚A的聚碳酸酯替代品，被廣泛用于各種消費和醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品。初步結(jié)果顯示兩者的強度是一樣的，在某些情況下，強度優(yōu)于超聲波連接技術(shù)。
聚合物的機械強度很少能與金屬相比，因此聚合物的有效連接區(qū)域需要很大，其連接強度才能接近母材的強度。再者，如果考慮聚合物的低導(dǎo)熱系數(shù)和低熱擴散率，意味著一般需要接近100W的平均功率，才能連接到稍厚的材料（約3mm）上，在實際速度下，典型的焊縫寬度為2-3mm。
水的吸收特性
由于基本O-H的伸展振動，液態(tài)水的強吸收帶在約1950nm。這足夠接近標(biāo)準(zhǔn)銩光纖激光器的波長，從而顯著提高吸收特性。水普遍存在于許多有機和無機化合物中，意味著大量各種各樣的材料改善了2μm光譜范圍的吸收特性，參見圖3。顯然，吸收特性的改善很難被量化，因為這種-OH鍵可能會表現(xiàn)為許多不同的形式。很明顯，效果可能是許多過程的基礎(chǔ)，這一過程需要受控制的局部脫水技術(shù)。
光纖激光器的相關(guān)性
光纖激光器的優(yōu)點之一是亮度(或著說是聚焦性能)，這直接決定了產(chǎn)生用于燒蝕激光加工的小型緊密聚焦激光束的能力。對于因通常不需要非常小的光斑尺寸而引入的低功率密度熱技術(shù)來說，雖然高亮度高斯光束可能被視為是有害的，但是更大直徑的多模2微米光纖激光器也是可用的，因為他們是大功率多千瓦近紅外光纖激光器。這些激光器能夠產(chǎn)生平頂或偽平頂光束， 這反過來又意味著如果需要大的熱治療區(qū)域， 可能會使用平行無焦點的平行光束， 從而大大降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。 #p#分頁標(biāo)題#e#
小結(jié)
現(xiàn)在，激光行業(yè)都認為摻鐿光纖激光器的可伸縮性已被證明，摻銩光纖激光器是基于相同的概念，所以向更高功率擴展也變得極為可行。如果回顧激光行業(yè)的50年，我們看到，與其他激光類型一樣，特別是與連續(xù)波摻鐿光纖激光器一樣，當(dāng)簡潔可靠的工業(yè)包裝中能夠使用100W左右的平均功率時，激光會突然變得與一系列宏觀產(chǎn)業(yè)加工實施相關(guān)，重要的商業(yè)應(yīng)用也開始出現(xiàn)。現(xiàn)在，摻銩光纖激光器也同樣位于這一階段。
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