作者：Steve Norman 來源：
激光世界
":!$Jnj , [|(|"dh@^H 隨著應(yīng)用能力的不斷拓展，
光纖激光器開始滲透到常規(guī)
激光技術(shù)曾經(jīng)牢固占據(jù)的市場領(lǐng)域，現(xiàn)在人們提出了這樣的問題：
光纖激光器應(yīng)用的最終極限是什么？不管是在低功率打標應(yīng)用中，還是在高功率機械與材料加工應(yīng)用中，光纖激光器都以應(yīng)用簡便、精度高、穩(wěn)定性好以及靈活性高等特點，使用戶從中受益，這也驅(qū)動了光纖激光器市場的快速增長。
*;<fh,wO k TGCB=e 脈沖激光器的峰值功率范圍
>xFvfuyC !=[Y yh 激光打標通常要求系統(tǒng)成本低、便于集成，并且緊湊耐用。打標應(yīng)用要求激光器能夠精確地對盡可能多的材料，比如金屬、聚合物、甚至是像食物那樣的有機材料進行重復標刻。這種加工需要能在較長時間內(nèi)維持較高峰值功率的脈沖激光輸出。
<L}@p8Lq &G {GLP?H 脈沖光纖激光模塊性能優(yōu)異，能夠同時提供好的光束質(zhì)量（M2小于2）、可控脈沖重復率、峰值功率和能量（見圖1）。SPI公司推出的全光纖集成激光器結(jié)合了稱為“PulseTune”的脈沖整形技術(shù)，以及高增益脈沖放大采用的主振蕩器功率放大器（MOPA）構(gòu)架設(shè)計。該激光模塊的平均輸出功率可達20W，能夠在很寬的參數(shù)范圍內(nèi)應(yīng)用，從重復率為25kHz、單脈沖能量為0.8mJ的高能脈沖（用于硬金屬標刻）到重復率高達500kHz（這是目前的最高重復率）、單脈沖能量為40礘的低能高速脈沖（用于在聚合物襯底上進行高速標刻）。高能端對應(yīng)的峰值功率通常為15～20kW，高速端（即低能端）對應(yīng)的峰值功率超過1kW。位圖標刻使用的激光器可以在連續(xù)波（CW）以及功率調(diào)制的模式下進行工作，激光器的輸出波長在1祄附近。
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6h:QSVfx 圖1. 由于采用了脈沖整形技術(shù)和主振蕩器功率放大器（MOPA）構(gòu)架，SPI 公司的光纖激光器（右圖）在高達500kHz的重復率下，輸出峰值功率超過了3kW（左圖）。常規(guī)激
光源的種子脈沖形狀和重復率相互依賴，并且僅能在40kHz的重復率以下提供與光纖激光器相當?shù)男阅�。光纖激光器能在較寬的重復率范圍內(nèi)維持高峰值功率的特性，是Q開關(guān)激光器（具有同等功率及尺寸）無法比擬的，無論是二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器還是光纖Q開關(guān)激光器。采用Q開關(guān)激光器，當重復率高于某一特定值后，再增加重復率就會導致脈沖塌陷、脈寬顯著增加，并且峰值功率顯著下降。
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}3Es&p$9 PulseTune MOPA方法的關(guān)鍵性創(chuàng)新在于將脈沖控制與放大級分離，這可以使脈沖寬度和峰值功率不受重復率的影響。PulseTune技術(shù)能夠在重復率高達500kHz的條件下，確保峰值功率超過3kW。常規(guī)技術(shù)受到種子脈沖形狀與重復率相互依賴的影響，僅能在40kHz重復率以下提供相當?shù)男阅�。這些性能差別能使加工產(chǎn)量相差十倍。
z*.AuEK? e5L+NPeM6v 由于具有較高的參數(shù)控制能力和靈活性，除了最基本的打標應(yīng)用，SPI公司的redEnergy脈沖激光器還在大量需要高附加值的領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，例如在不銹鋼上進行彩色標刻、
液晶顯示器微調(diào)以及存儲器修復等應(yīng)用。這些大批量加工應(yīng)用，需要對脈沖能量進行精確的可重復控制（見圖2）。
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'.A!IGsj 圖2. 脈沖光纖激光器能夠用于彩色標刻，例如通過對脈沖能量及重復率進行控制，可以在不銹鋼上形成色調(diào)（上圖）。在另一項應(yīng)用中，人們使用重復率為250kHz的15W脈沖光纖激光器進行電阻器微調(diào)（下圖）。 連續(xù)波激光器的功率范圍
]J7qsMw +f3Rzx] 光纖激光器耐用的全光纖、全引導構(gòu)架能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時輸出運轉(zhuǎn)，無需常規(guī)的調(diào)節(jié)及重新準直。有源光纖腔固有的大的表體比便于散熱，從而最大程度地降低對外部冷卻的需求。使用極低損耗、整體全光纖構(gòu)架，可以獲得出色的光－光、電－光轉(zhuǎn)換效率和相對較高的總體效率。通過合適的設(shè)計，纖芯可以調(diào)節(jié)光束質(zhì)量，并且光纖波導結(jié)構(gòu)不存在熱
透鏡效應(yīng)，這些都使光纖激光器具備不隨功率變化的卓越的光束質(zhì)量和超強的穩(wěn)定性。
~A0]vcP R"nB4R0Uh 通常，光纖激光器采用極為耐用的電信級單發(fā)射體寬條多模泵浦二極管作為泵浦源，因此有望對它們以超過100kHz的頻率進行快速調(diào)制。
!>`Q]M` L}Z.Fq J 所有這些優(yōu)點，使光纖激光器十分適合在連續(xù)波或準連續(xù)波
cO?*(e1m= 波運轉(zhuǎn)下放大到更高功率，來滿足微電子方面的應(yīng)用需求。在這些應(yīng)用中，光束質(zhì)量、精度以及穩(wěn)定性至關(guān)重要。在許多應(yīng)用中，控制、改變
激光加工能量和功率輸入，對加工過程起著決定性作用。例如：在薄金屬板和金屬管（印刷電路模版及動脈支架）的微切割過程中，激光功率調(diào)制對加工過程起主要作用。它可以減少諸如熱影響區(qū)（HAZ）等熱效應(yīng)和殘渣，并且可以使切口寬度小于20祄。
I Xc `Ec (J:+'u 由于采用了專有的GTWave技術(shù)，SPI公司的200W單模OEM激光系統(tǒng)具備優(yōu)異的
光學輸入/輸出響應(yīng)（見圖3）。它的工作波長在1祄波段，輸出為單模，并且光－光轉(zhuǎn)換效率高于50%，最大輸出功率對應(yīng)的均方根噪聲小于1%，因此適用于需要進行精確控制和極高重復率的工業(yè)應(yīng)用。這類激光器（100W、150W、200W）能夠用于超精細切割、精細雕版、金屬粉末燒結(jié)（快速原型裝置制造）以及普通的切割與焊接領(lǐng)域。人們已經(jīng)設(shè)計出系統(tǒng)構(gòu)架、電子元件和控制算法，以提供連續(xù)波和連續(xù)波調(diào)制（CW-M）運轉(zhuǎn)模式。
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u6|C3 ,!z" 圖3. SPI公司的200W單模OEM激光系統(tǒng)具備優(yōu)異的光學輸入/輸出響應(yīng)（上圖）。在脈沖重復率為70kHz、輸出功率為20～100W的工作條件下，該激光器的調(diào)制性能如下圖所示。峰值功率均方根噪聲1%～2%。在該工作范圍內(nèi)，激光器的平均輸出功率約為5W，十分適合精密切割與雕刻應(yīng)用。有源光纖本身是高增益、低背景損耗的介質(zhì)，并且需要相對低Q值的腔以獲得最佳性能。低Q值腔以及較高的纖芯內(nèi)信號強度，能使激光腔快速耗盡，使連續(xù)波調(diào)制運轉(zhuǎn)的頻率可提高到100kHz以上。
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