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光纤激光器的类型
新特光电集团 2017-05-08 998

光纤激光器本质上有别于其它类型的激光器;在光纤激光器中,产生激光的激活介质实际上散布在光纤自身内部。这一特点将其与通过光纤传导的激光器区别开来,后者只是简单地将光束从激光谐振腔通过光纤传输到导光元件上。光纤激光器是目前为止公认的在所有激光器当中具有最佳聚焦性能的激光器类型。 

光纤激光器奠定了它在工业激光大家族,尤其是在高功率数千瓦级产品中的地位,很显然,早前光纤激光器的相关限制现已被充分理解,这也促成了激光器更大范围的发展。光纤激光器一脉相承的可扩展性已经被用于将多模光纤激光器的输出功率放大至50千瓦以上,将单模光纤激光器的功率增大到10千瓦。 

脉冲光纤激光器

脉冲纳秒激光器是最早一种被开发出来的类型,它们在商业市场上的成功取代了很大一部分打标用的激光器。这种激光器的平均功率现在已经被扩展到高达500瓦。另一方面,对这种光纤激光技术的深入研究导致了光纤激光器能生成数纳秒的更窄的脉冲宽度、更高的亮度,以及高达数兆赫的重复频率。保偏光纤激光器现在也被开发应用于高效变频至532纳米。近来,具有更长脉冲宽度的毫秒级准连续波(QCW)激光器也被开发出来。基于对光纤激光器的深入研究发现,其优点是几乎可应用于宏观和微观工业激光加工的全部范围。 

纳秒脉冲光纤激光器

通用型的激光打标机和振镜扫描系统不断革新,这两者之间的功能也在互相融合,从而进一步增强了应用能力。单脉冲能量达1mJ的Q开关光纤激光器可以在很多不同的材质上打标,包括从陶瓷到金属合金以及低熔点聚合物。平均功率增高至50瓦,在脉冲频率为50kHz时,单脉冲能量为1mJ,M2保持在1.6而未劣化,这些性能在雕刻应用中能快速去除金属材料。新型的打标激光器具有小于3s的极短脉冲关断时间,这在某些敏感材料的打标应用中改善了加工效果。重复频率增加后达到200kHz,而脉冲周期降低到5s。有人认为,在这样高的重复频率下,接近脉冲区间的等离子体会导致光束对目标的非连续加工。其中一个重要的例子就是被打标的不锈钢材料上会产生氧化层,这在肉眼下是可见的;并且,即使之后经过反复的高温高压处理,氧化层也无法除去。如果被打标的对象是容易出现问题的高反射材料,那么可通过远程光纤放大器(RA)将峰值功率加倍至20千瓦来解决。

高平均功率的Q-开关光纤激光器

进一步的研发已使紧凑型500瓦平均功率的系统可提供低于100纳秒的脉冲宽度。该范围的激光器都有一个三级MOPA配置的全光纤形式。光纤尾纤连接声光调制器(AOM)被用来控制脉冲宽度,范围从30至2000纳秒不等,在此范围内的峰值输出最高达1兆瓦。输出光隔的形式是“光纤到空气”或“光纤到加工光纤。” 

 高脉冲能量——高达50mJ,小于100纳秒的脉冲,可在工件上达到很高的峰值功率,虽然在脉冲能量增加的时候必须做出一些妥协。这些激光器通过一种声波或热震机制,可有效地去除各种不同类型的表面膜层,这样就能最大限度地减少对部件的热输入。方形光纤现在也被运用到这种激光器中,可以大大提高一些应用中的加工效率

MOPFA激光器

脉冲光纤激光器的第二大类别就是被称为MOPFA的种子半导体二极管主振荡器光纤功率放大激光器,它们与Q-开关光纤激光器的区别在于:脉冲上升时间可能会更快,脉冲持续时间可能更短,脉宽多样化,脉冲重复频率可高达数兆赫。

依据表3所示的参数组合,可大大提高峰值功率和功率密度的能力,从而处理打标和微加工的任务。脉冲宽度可降低到10纳秒以下,以实现更高的能量密度。在微加工工艺中,需要在有限的区域内精确地移除少量的材料,这种情况下就可以用这种类型的激光处理。市场需要新型高亮度短脉冲激光器,它具有优良的脉冲到脉冲的稳定性;但在开发出这种新型激光器之前,对于特定的微加工过程的唯一解决办法往往是:成本较高的二极管泵浦固体激光器,或效率很低的闪光灯泵浦固体激光器。

倍频绿光光纤激光器

虽然不是严格意义上的绿光光纤激光器(原因是其激活介质并不直接释放532纳米的激光束),此类型的光纤激光器有一些独特的功能。激光源提供了较窄范围的脉冲持续时间和高达600 kHz的重复频率。单向二次谐波发生器使用了20毫米的LBO晶体。一个高速数字伺服回路采用了活性压电式镜面。高光谱亮度的激光源促成了高效的转换,实现84%的转换效率及大于20%的电光转换效率,且具备升级到355和266纳米下高功率的可行性。 

连续波(CW)激光器 - 调制型

二极管泵浦的脉冲上升时间是5s,因此最小的脉冲持续时间(或时间调制)大约是10s。

使用简单的控制技术可以在10%-100%占空比调节这些激光器,所以调制频率高达50 kHz是可以实现的。在微切削过程中,调制可以最大程度地减少部件的热输入。对占空比的大范围控制以及M2等于1.05——这两个因素的结合有可能实现小于20微米的切缝宽度,使用传统的光学元件即可。   

准连续波(QCW)激光器

虽然连续波光纤激光器拥有实现高能量脉冲的能力,但主要是通过使用高于所需要的平均功率的方式或超长的脉冲持续时间完成,而这两种方式都存在缺陷。近来,连续波激光器的范围得到了拓展,开发出了具有更高峰值功率、更高脉冲能量的激光器。 

这种激光器具备数焦耳脉冲能量、超长脉冲,以及能与更大直径的光纤耦合的能力,使得生产出的焊点直径可达0.5毫米。早期试验表明,这些低占空比焊点在任何方面都和闪光灯泵浦固体激光器相似。

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