這十年來，光纖激光技術(shù)已迅速成為1微米波長的材料加工應用中的主要候選技術(shù)，尤其在標刻應用中，光纖激光器已占據(jù)激光源的三分之一。光纖激光源為用戶提供簡潔的低成本解決方案，無需維護，降低產(chǎn)權(quán)方案的成本。對于非技術(shù)用戶來說，這也是一種“安裝之后就不必管它”的選擇。 對于許多激光來說，由于在使用氣體或棒狀激光器時，光學器件、熱透鏡或其它對準效應的下降，維持光束質(zhì)量通常很困難的。事實上，可以采用對特殊模式進行光學設計來滿足特別的材料加工應用。 最新一代的納米脈沖光纖激光器簡潔緊湊，調(diào)整光束質(zhì)量后的光源非常靈活，有若干可配置的脈沖選項。這將改進大多數(shù)應用的工藝。近來，峰值功率和脈沖能量的提高使得傳統(tǒng)標刻加工邁上了新的臺階，也使激光器成為功能強大的精密加工工具。 許多光纖激光器基于調(diào)Q類型的設計，并且模仿了其他固態(tài)激光器的能力。這種光源仍主要應用于當前的標刻應用中，它受限于脈沖參數(shù)的能力，不能突破重復率小于100千赫的限制。基于主振動率放大器（MOPA）設計的光纖激光器使用直接調(diào)制的種子激光器和放大器通路，能靈活控制如脈沖長度和頻率等脈沖參數(shù)。 例如，SPI最新的MOPA設計能夠達到很高的峰值功率，這是無法在標準調(diào)制時達到的，在平均輸出功率為40瓦時，一些模式的峰值脈沖功率能超過20千瓦，在30千赫時脈沖能量能大于1.25mJ。另外，這些模式的脈沖頻率范圍高達1到500千赫，脈沖持續(xù)時間范圍為20到200納秒，并且能在連續(xù)波（CW）模式下工作。 材料加工中，影響質(zhì)量和生產(chǎn)能力的一些關(guān)鍵參數(shù)包括：峰值脈沖功率（千瓦）、脈沖能量（mJ）、脈沖頻率（千赫）、平均功率（瓦）、脈沖持續(xù)時間（納秒）和光束質(zhì)量（M2）。大多數(shù)脈沖激光材料加工應用需要綜合考慮上述參數(shù)。 脈沖加工在本質(zhì)上嚴重依賴于重疊激光光斑才能取得理想的結(jié)果。盡管高一些的重疊也可以讓標記的外觀幾近平滑，但通常對于許多激光加工來說，普遍接受的是大于30%的光斑重疊。高重復率意味著可以達到更高的加工速度。在500千赫時，當掃描速度高達8米/秒時就能夠取得30%光斑重疊的效果。 在加工敏感材料時，需要仔細控制熱輸入，通常最好采用較短的脈沖和較高的重復率。在加工塑料和聚合材料時，則最好維持峰值功率并且限制每單位長度的總熱輸入（見圖1）。其他應用加工，如除漆（24小時標記）、彩色標記、集成電路打標以及薄膜圖案生成（太陽能電池和液晶屏幕），則最好要滿足大于100千赫的條件。光束質(zhì)量對許多應用來說有著決定性影響，低M2并不是在所有場合中適用，因而在考慮是否適合某用途時必須考慮光束質(zhì)量。低M2光束能在加工域上產(chǎn)生更小更深的斑點，但是更高的峰值功率將導致過度的中心點強度，從而導致問題發(fā)生，例如在薄膜制圖或清除應用中引發(fā)基底損壞。當區(qū)域較大時，由于行距較小，就需要較小斑點加工更多次。在這些應用中，高M2光束在更寬的功率分布時，更適用于區(qū)域加工。 在SPI公司，我們已經(jīng)開發(fā)了一系列脈沖激光器，可以廣泛用于標稱需要不同光束質(zhì)量的應用（見圖2）。激光器光束質(zhì)量的影響極為顯著，主要與產(chǎn)生的聚焦斑點尺寸相關(guān)。對比研究則顯示出斑點尺寸對于標刻和鉆孔加工應用的影響。當激光脈沖數(shù)量相同時，單模脈沖激光器可以產(chǎn)生窄深的高深寬比的孔，而更高模式的激光器則產(chǎn)生漸寬漸淺的孔。這一結(jié)果或許在多數(shù)情況下有效，不過要指出的是，最終特征不必嚴格與估算的斑點尺寸一致，這應該視應用的要求而定。在深度雕刻和加工反射材料時，脈沖能量和峰值功率是最主要的特性。當峰值功率大于20千瓦、脈沖能量大于1.25mJ時，光纖激光器能同燈泵浦Nd:YAG激光雕刻機相媲美。但是，最好的雕刻質(zhì)量通常并不是在峰值功率或脈沖能量參數(shù)最高時取得。有些公司專注于像鑄模工具這樣的復雜三維雕刻應用，他們開發(fā)了將光纖激光器同填充技術(shù)和脈沖參數(shù)相結(jié)合的專有方法，使得每一脈沖僅僅除去幾微米（見圖3）。 其他材料包括像玻璃碳這樣的特殊材料也適于微加工。玻璃碳的高熔點和獨特硬度性質(zhì)使得傳統(tǒng)機器加工變得很難，而激光器能解決這一問題。劍橋大學學者的研究（見圖4）展示了使用20瓦0.8mJ脈沖激光器對血漿分離器鑄模工具進行加工所能達到的精度。最初，由于背面反射帶來的風險，光纖激光器在加工反射和傳導材料時需要很小心。不過，光學隔離技術(shù)的發(fā)展讓用戶在這類應用中能夠使用光纖激光器。在珠寶行業(yè)中的雕刻中，高脈沖能量在低重復率下除去疏松物質(zhì)，緊接著，高峰值功率的高重復率、短低能量脈沖來做最后一遍的平滑處理工作（見圖5）。更高的峰值功率和脈沖能量使銅雕刻成為可能。這些用途廣泛的激光器也將應用擴展到傳統(tǒng)打標和雕刻之外。如今，這些激光器已用于切割、焊接甚至熔接等應用。更高的峰值功率和脈沖能量能夠切割包括薄片金屬在內(nèi)的廣泛材料。使用遠程掃描器技術(shù)，還能夠切割包括金、銅、銀及黃銅在內(nèi)的厚度高達幾百微米的大多數(shù)金屬。更厚一些的材料需要使用多遍技術(shù)來切割，速度會慢一些，對于某些應用來說，仍然比傳統(tǒng)激光切割工藝更好。 焊接通常被當作一項直接半導體或者連續(xù)波光纖激光工藝。然而，對于熱敏感應用來說，傳統(tǒng)激光技術(shù)并不能完全控制熱輸入。高重復率脈沖光纖激光器結(jié)合快速掃描技術(shù)，可以將回流焊接的部件總熱輸入控制得很低。 隨著用戶在新MOPA設計中越來越注重靈活性和多功能性，納秒級光纖激光器的用途正越來越廣。模式質(zhì)量的可調(diào)整性以及脈沖特性的可變性有助于應用領(lǐng)域的拓展。 如今，納秒級光纖激光器已很成熟，應用范圍已從標刻加工延伸至更有用武之地的微加工。因此，不管是何種微加工應用，都可以考慮使用脈沖光纖激光器。