光纖激光器本質(zhì)上有別于其它類型的激光器；在光纖激光器中，產(chǎn)生激光的激活介質(zhì)實(shí)際上散布在光纖自身內(nèi)部。這一特點(diǎn)將其與通過(guò)光纖傳導(dǎo)的激光器區(qū)別開來(lái)，后者只是簡(jiǎn)單地將光束從激光諧振腔通過(guò)光纖傳輸?shù)綄?dǎo)光元件上。光纖激光器是目前為止公認(rèn)的在所有激光器當(dāng)中具有最佳聚焦性能的激光器類型。 光纖激光器奠定了它在工業(yè)激光大家族，尤其是在高功率數(shù)千瓦級(jí)產(chǎn)品中的地位，很顯然，早前光纖激光器的相關(guān)限制現(xiàn)已被充分理解，這也促成了激光器更大范圍的發(fā)展。光纖激光器一脈相承的可擴(kuò)展性已經(jīng)被用于將多模光纖激光器的輸出功率放大至50千瓦以上，將單模光纖激光器的功率增大到10千瓦。 圖1、Q-開關(guān)光纖激光器模塊脈沖光纖激光器 脈沖納秒激光器是最早一種被開發(fā)出來(lái)的類型，它們?cè)谏虡I(yè)市場(chǎng)上的成功取代了很大一部分打標(biāo)用的激光器。這種激光器的平均功率現(xiàn)在已經(jīng)被擴(kuò)展到高達(dá)500瓦。另一方面，對(duì)這種光纖激光技術(shù)的深入研究導(dǎo)致了光纖激光器能生成數(shù)納秒的更窄的脈沖寬度、更高的亮度，以及高達(dá)數(shù)兆赫的重復(fù)頻率。保偏光纖激光器現(xiàn)在也被開發(fā)應(yīng)用于高效變頻至532納米。近來(lái)，具有更長(zhǎng)脈沖寬度的毫秒級(jí)準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）激光器也被開發(fā)出來(lái)。基于對(duì)光纖激光器的深入研究發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是幾乎可應(yīng)用于宏觀和微觀工業(yè)激光加工的全部范圍。 圖2、平均功率為500瓦的納秒激光器納秒脈沖光纖激光器 通用型的激光打標(biāo)機(jī)和振鏡掃描系統(tǒng)不斷革新，這兩者之間的功能也在互相融合，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了應(yīng)用能力。單脈沖能量達(dá)1mJ的Q-開關(guān)光纖激光器可以在很多不同的材質(zhì)上打標(biāo)，包括從陶瓷到金屬合金以及低熔點(diǎn)聚合物。平均功率增高至50瓦，在脈沖頻率為50kHz時(shí)，單脈沖能量為1mJ，M2保持在1.6而未劣化，這些性能在雕刻應(yīng)用中能快速去除金屬材料。新型的打標(biāo)激光器具有小于3s的極短脈沖關(guān)斷時(shí)間，這在某些敏感材料的打標(biāo)應(yīng)用中改善了加工效果。重復(fù)頻率增加后達(dá)到200kHz，而脈沖周期降低到5s。有人認(rèn)為，在這樣高的重復(fù)頻率下，接近脈沖區(qū)間的等離子體會(huì)導(dǎo)致光束對(duì)目標(biāo)的非連續(xù)加工。其中一個(gè)重要的例子就是被打標(biāo)的不銹鋼材料上會(huì)產(chǎn)生氧化層，這在肉眼下是可見(jiàn)的；并且，即使之后經(jīng)過(guò)反復(fù)的高溫高壓處理，氧化層也無(wú)法除去。如果被打標(biāo)的對(duì)象是容易出現(xiàn)問(wèn)題的高反射材料，那么可通過(guò)遠(yuǎn)程光纖放大器（RA）將峰值功率加倍至20千瓦來(lái)解決。 高平均功率的Q-開關(guān)光纖激光器 進(jìn)一步的研發(fā)已使緊湊型500瓦平均功率的系統(tǒng)可提供低于100納秒的脈沖寬度。該范圍的激光器都有一個(gè)三級(jí)MOPA配置的全光纖形式。光纖尾纖連接聲光調(diào)制器（AOM）被用來(lái)控制脈沖寬度，范圍從30至2000納秒不等，在此范圍內(nèi)的峰值輸出最高達(dá)1兆瓦。輸出光隔的形式是“光纖到空氣”或“光纖到加工光纖。” 圖3、高功率脈沖激光器，亮度和脈沖能量的關(guān)系圖。高脈沖能量——高達(dá)50mJ，小于100納秒的脈沖，可在工件上達(dá)到很高的峰值功率，雖然在脈沖能量增加的時(shí)候必須做出一些妥協(xié)（見(jiàn)圖3）。這些激光器通過(guò)一種聲波或熱震機(jī)制，可有效地去除各種不同類型的表面膜層，這樣就能最大限度地減少對(duì)部件的熱輸入。方形光纖現(xiàn)在也被運(yùn)用到這種激光器中，可以大大提高一些應(yīng)用中的加工效率（見(jiàn)圖4和5）。MOPFA激光器 脈沖光纖激光器的第二大類別就是被稱為MOPFA的種子半導(dǎo)體二極管主振蕩器光纖功率放大激光器，它們與Q-開關(guān)光纖激光器的區(qū)別在于：脈沖上升時(shí)間可能會(huì)更快，脈沖持續(xù)時(shí)間可能更短，脈寬多樣化，脈沖重復(fù)頻率可高達(dá)數(shù)兆赫。依據(jù)表3所示的參數(shù)組合，可大大提高峰值功率和功率密度的能力，從而處理打標(biāo)和微加工的任務(wù)。脈沖寬度可降低到10納秒以下，以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。在微加工工藝中，需要在有限的區(qū)域內(nèi)精確地移除少量的材料，這種情況下就可以用這種類型的激光處理。市場(chǎng)需要新型高亮度短脈沖激光器，它具有優(yōu)良的脈沖到脈沖的穩(wěn)定性；但在開發(fā)出這種新型激光器之前，對(duì)于特定的微加工過(guò)程的唯一解決辦法往往是：成本較高的二極管泵浦固體激光器，或效率很低的閃光燈泵浦固體激光器。倍頻綠光光纖激光器 雖然不是嚴(yán)格意義上的綠光光纖激光器（原因是其激活介質(zhì)并不直接釋放532納米的激光束），此類型的光纖激光器有一些獨(dú)特的功能。激光源提供了較窄范圍的脈沖持續(xù)時(shí)間和高達(dá)600 kHz的重復(fù)頻率。單向二次諧波發(fā)生器使用了20毫米的LBO晶體。一個(gè)高速數(shù)字伺服回路采用了活性壓電式鏡面。高光譜亮度的激光源促成了高效的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)84%的轉(zhuǎn)換效率及大于20％的電光轉(zhuǎn)換效率，且具備升級(jí)到355和266納米下高功率的可行性。 連續(xù)波（CW）激光器 - 調(diào)制型 二極管泵浦的脈沖上升時(shí)間是5s，因此最小的脈沖持續(xù)時(shí)間（或時(shí)間調(diào)制）大約是10s。 使用簡(jiǎn)單的控制技術(shù)可以在10％-100％占空比調(diào)節(jié)這些激光器，所以調(diào)制頻率高達(dá)50 kHz是可以實(shí)現(xiàn)的。在微切削過(guò)程中，調(diào)制可以最大程度地減少部件的熱輸入。對(duì)占空比的大范圍控制以及M2等于1.05——這兩個(gè)因素的結(jié)合有可能實(shí)現(xiàn)小于20微米的切縫寬度，使用傳統(tǒng)的光學(xué)元件即可。 準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）激光器 雖然連續(xù)波光纖激光器擁有實(shí)現(xiàn)高能量脈沖的能力，但主要是通過(guò)使用高于所需要的平均功率的方式或超長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間完成，而這兩種方式都存在缺陷。近來(lái)，連續(xù)波激光器的范圍得到了拓展，開發(fā)出了具有更高峰值功率、更高脈沖能量的激光器，見(jiàn)表5。這種激光器具備數(shù)焦耳脈沖能量、超長(zhǎng)脈沖，以及能與更大直徑的光纖耦合的能力，使得生產(chǎn)出的焊點(diǎn)直徑可達(dá)0.5毫米。早期試驗(yàn)表明，這些低占空比焊點(diǎn)在任何方面都和閃光燈泵浦固體激光器相似。 光纖激光器的改進(jìn) 光纖激光器迅速發(fā)展的原因可概括如下： ● 深入的科學(xué)研究可實(shí)現(xiàn)增加光纖的熱負(fù)荷，而不產(chǎn)生任何熱衰減或光致吸收效應(yīng)和受激拉曼散射（SRS）的影響，而此前這些往往被看作是光纖激光器的限制因素，現(xiàn)在已經(jīng)僅僅針對(duì)高平均功率激光器而言了。 ● 作為泵浦源，單發(fā)射極泵浦二極管相比利用半導(dǎo)體二極管巴條和半導(dǎo)體二極管堆有更為值得信賴的優(yōu)勢(shì)。泵浦二極管的壽命通常大于10萬(wàn)小時(shí)，在整個(gè)激光加工系統(tǒng)使用壽命延續(xù)期間不需要更換。高強(qiáng)度的老化測(cè)試則進(jìn)一步提高了可靠性。 ● 增加二極管泵浦功率和提高泵浦的效率帶來(lái)更高的平均功率。 ● 由于其本身的性質(zhì)，光纖在很大程度上是靠自我冷卻，因此減少了熱透鏡效應(yīng)，并簡(jiǎn)化了激光器設(shè)計(jì)。這些良性的熱因素意味著，其冷卻要求并不像其它由半導(dǎo)體二極管巴條和半導(dǎo)體二極管堆泵浦的激光器設(shè)計(jì)那般苛刻。 ● 多種光纖直徑可選和即插即用的光纖可得到各種類型的空間能量分布；小的單模高斯光纖用來(lái)切割、鉆孔，直徑較大的多模光纖用來(lái)焊接或表面處理。一臺(tái)連續(xù)波單模光纖激光器配備一根比如說(shuō)50微米直徑的光纖，就可以很簡(jiǎn)單地從切割激光器變?yōu)楹附蛹す馄鳎枰龅闹皇呛?jiǎn)單地更換終端的聚焦光學(xué)元件。 ● 已獲得可傳輸高達(dá)25千瓦功率的光纖適配器。研發(fā)出的一些光纖激光功率光束開關(guān)，用于光纖到光纖的連接可多達(dá)6個(gè)通道，切換時(shí)間小于10毫秒。可為每個(gè)通道提供可見(jiàn)的紅色對(duì)準(zhǔn)光束。 ● 更高速的電子元件、先進(jìn)的接口、控制及網(wǎng)絡(luò)軟件都已被開發(fā)出來(lái)。 在微加工和打標(biāo)領(lǐng)域中的發(fā)展 正如我們已經(jīng)看到的，現(xiàn)在市面上有各種不同的脈沖光纖激光器，與先進(jìn)的振鏡掃描儀配合使用時(shí)，可用于許多加工中如切削、鉆孔及熔覆。經(jīng)證明，它能用在那些通常由高功率密度紅外激光束完成的材料去除應(yīng)用中，同時(shí)適用于激光微加工技術(shù)和打標(biāo)，光纖激光器具有的更高亮度意味著材料去除過(guò)程可顯著提高。這一事實(shí)加上精度不斷提高的振鏡掃描儀，意味著打標(biāo)激光器如今也能執(zhí)行一些以前認(rèn)定為“精密微加工”的任務(wù)。雖然波長(zhǎng)同亮度和可聚焦能力之間成正比，在某些情況下它已可實(shí)現(xiàn)以前只有通過(guò)532nm和355nm的激光才能得到的特征尺寸、準(zhǔn)確度和精度。 光纖激光點(diǎn)焊 如我們所知，在低到中等的占空比范圍調(diào)制單發(fā)射極泵浦二極管遠(yuǎn)比調(diào)制半導(dǎo)體二極管條或半導(dǎo)體二極管堆來(lái)得簡(jiǎn)單。近來(lái)，由于特制泵浦半導(dǎo)體二極管的最新發(fā)展以及增強(qiáng)的脈沖能力，已開發(fā)出高亮度光纖激光器，它能產(chǎn)生出非常接近傳統(tǒng)的閃光燈泵浦激光器所發(fā)出的脈沖，如表5所示。將這個(gè)特性結(jié)合能與不同直徑的光纖匹配的特性，使此種激光器能進(jìn)行低熱輸入、低占空比、與傳統(tǒng)的閃光燈泵浦激光器效果相同的點(diǎn)焊，但其具備了光纖激光器眾所周知的所有優(yōu)點(diǎn)，比如更小的占地面積，更少的維護(hù)及10倍的電光效率。由于泵浦源的靈活性，很容易實(shí)現(xiàn)用于醫(yī)療設(shè)備焊接應(yīng)用中的脈沖波形調(diào)整，且沒(méi)有使用傳統(tǒng)閃光燈類型帶來(lái)的限制。 采用高平均功率光纖激光器加工 雖然10千瓦單模激光器已經(jīng)制造出來(lái)，但這種高平均功率和高亮度的結(jié)合顯然超過(guò)了當(dāng)前材料加工的需求。在傳統(tǒng)的氣體輔助的激光切割中，需要提供輔助氣體至切割的最前端，因此存在著一種限制：能夠?qū)崿F(xiàn)的高寬比只在一定范圍之內(nèi)。 光纖激光器是目前廣泛認(rèn)為亮度最高和紅外激光束聚焦性最高的激光源，加上其它一些廣為人知的光纖激光器的優(yōu)勢(shì)，令其在鈑金切割應(yīng)用中贏得快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)份額，在歐洲地區(qū)尤為明顯。現(xiàn)在人們普遍接受并認(rèn)同，對(duì)于切割厚度低于8毫米的金屬材料，與CO2激光器相比，在獲得相同切割質(zhì)量的情況下，相同的功率能獲得更高的切割速度，相同的切割速度只需要更小的功率。科學(xué)文獻(xiàn)中有一些建議指出，這些不同波長(zhǎng)的激光在切割大于10毫米厚的鋼板過(guò)程時(shí)的表現(xiàn)存在著本質(zhì)上的差異，顯然這些說(shuō)法的真實(shí)性還有待調(diào)查，但歐洲的光纖激光設(shè)備集成商已經(jīng)開始針對(duì)厚板的切割質(zhì)量做實(shí)質(zhì)性改善。 本文作者Tony Hoult博士來(lái)自位于美國(guó)加州Santa Clara的IPG Photonics公司。