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光纤激光器具有广泛的工业应用前景

2007-11-20 13:59
小伊琳
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 作者:Steve Norman,Mikhail Zervas

随着应用能力的不断拓展,光纤激光器开始渗透到常规激光技术曾经牢固占据的市场领域,现在人们提出了这样的问题:光纤激光器应用的最终极限是什么?不管是在低功率打标应用中,还是在高功率机械与材料加工应用中,光纤激光器都以应用简便、精度高、稳定性好以及灵活性高等特点,使用户从中受益,这也驱动了光纤激光器市场的快速增长。

脉冲激光器的峰值功率范围
激光打标通常要求系统成本低、便于集成,并且紧凑耐用。打标应用要求激光器能够精确地对尽可能多的材料,比如金属、聚合物、甚至是像食物那样的有机材料进行重复标刻。这种加工需要能在较长时间内维持较高峰值功率的脉冲激光输出。

脉冲光纤激光模块性能优异,能够同时提供好的光束质量(M2小于2)、可控脉冲重复率、峰值功率和能量(见图1)。SPI公司推出的全光纤集成激光器结合了称为“PulseTune”的脉冲整形技术,以及高增益脉冲放大采用的主振荡器功率放大器(MOPA)构架设计。该激光模块的平均输出功率可达20W,能够在很宽的参数范围内应用,从重复率为25kHz、单脉冲能量为0.8mJ的高能脉冲(用于硬金属标刻)到重复率高达500kHz(这是目前的最高重复率)、单脉冲能量为40礘的低能高速脉冲(用于在聚合物衬底上进行高速标刻)。高能端对应的峰值功率通常为15~20kW,高速端(即低能端)对应的峰值功率超过1kW。位图标刻使用的激光器可以在连续波(CW)以及功率调制的模式下进行工作,激光器的输出波长在1祄附近。

 
 
图1. 由于采用了脉冲整形技术和主振荡器功率放大器(MOPA)构架,SPI 公司的光纤激光器(右图)在高达500kHz的重复率下,输出峰值功率超过了3kW(左图)。常规激光源的种子脉冲形状和重复率相互依赖,并且仅能在40kHz的重复率以下提供与光纤激光器相当的性能。

光纤激光器能在较宽的重复率范围内维持高峰值功率的特性,是Q开关激光器(具有同等功率及尺寸)无法比拟的,无论是二极管泵浦固态(DPSS)激光器还是光纤Q开关激光器。采用Q开关激光器,当重复率高于某一特定值后,再增加重复率就会导致脉冲塌陷、脉宽显著增加,并且峰值功率显著下降。

PulseTune MOPA方法的关键性创新在于将脉冲控制与放大级分离,这可以使脉冲宽度和峰值功率不受重复率的影响。PulseTune技术能够在重复率高达500kHz的条件下,确保峰值功率超过3kW。常规技术受到种子脉冲形状与重复率相互依赖的影响,仅能在40kHz重复率以下提供相当的性能。这些性能差别能使加工产量相差十倍。

由于具有较高的参数控制能力和灵活性,除了最基本的打标应用,SPI公司的redEnergy脉冲激光器还在大量需要高附加值的领域取得了广泛应用,例如在不锈钢上进行彩色标刻、液晶显示器微调以及存储器修复等应用。这些大批量加工应用,需要对脉冲能量进行精确的可重复控制(见图2)。

连续波激光器的功率范围
光纤激光器耐用的全光纤、全引导构架能够实现瞬时输出运转,无需常规的调节及重新准直。有源光纤腔固有的大的表体比便于散热,从而最大程度地降低对外部冷却的需求。使用极低损耗、整体全光纤构架,可以获得出色的光-光、电-光转换效率和相对较高的总体效率。通过合适的设计,纤芯可以调节光束质量,并且光纤波导结构不存在热透镜效应,这些都使光纤激光器具备不随功率变化的卓越的光束质量和超强的稳定性。
 

 


图2. 脉冲光纤激光器能够用于彩色标刻,例如通过对脉冲能量及重复率进行控制,可以在不锈钢上形成色调(上图)。在另一项应用中,人们使用重复率为250kHz的15W脉冲光纤激光器进行电阻器微调(下图)。

通常,光纤激光器采用极为耐用的电信级单发射体宽条多模泵浦二极管作为泵浦源,因此有望对它们以超过100kHz的频率进行快速调制。

所有这些优点,使光纤激光器十分适合在连续波或准连续波运转下放大到更高功率,来满足微电子方面的应用需求。在这些应用中,光束质量、精度以及稳定性至关重要。在许多应用中,控制、改变激光加工能量和功率输入,对加工过程起着决定性作用。例如:在薄金属板和金属管(印刷电路模版及动脉支架)的微切割过程中,激光功率调制对加工过程起主要作用。它可以减少诸如热影响区(HAZ)等热效应和残渣,并且可以使切口宽度小于20祄。

由于采用了专有的GTWave技术,SPI公司的200W单模OEM激光系统具备优异的光学输入/输出响应(见图3)。它的工作波长在1祄波段,输出为单模,并且光-光转换效率高于50%,最大输出功率对应的均方根噪声小于1%,因此适用于需要进行精确控制和极高重复率的工业应用。这类激光器(100W、150W、200W)能够用于超精细切割、精细雕版、金属粉末烧结(快速原型装置制造)以及普通的切割与焊接领域。人们已经设计出系统构架、电子元件和控制算法,以提供连续波和连续波调制(CW-M)运转模式。


 
图3. SPI公司的200W单模OEM激光系统具备优异的光学输入/输出响应(上图)。在脉冲重复率为70kHz、输出功率为20~100W的工作条件下,该激光器的调制性能如下图所示。峰值功率均方根噪声1%~2%。在该工作范围内,激光器的平均输出功率约为5W,十分适合精密切割与雕刻应用。

有源光纤本身是高增益、低背景损耗的介质,并且需要相对低Q值的腔以获得最佳性能。低Q值腔以及较高的纤芯内信号强度,能使激光腔快速耗尽,使连续波调制运转的频率可提高到100kHz以上。

新兴应用
除了强化甚至是取代很多要求极高的工业与医学应用方案外,随着在性能和灵活性方面的进步,光纤激光器的一些新兴应用领域正在逐步涌现(见图4)。

泵浦方案的选取,是利用全光纤激光器优点以及将其提高到更高功率水平的关键。即使是结合处、光纤锥以及泵浦注入耦合器处百分之几的耦合损耗,都会导致局部若干瓦的热耗散。末端泵浦以及V形槽边泵浦等单点注入技术,会导致“热点”出现以及产品过早损坏。对此,SPI公司推出了一项专利方案,使用包层覆盖的一根有源光纤和一根泵浦光纤构成的复合光纤(GTWave),进行多端口多点泵浦注入。入射到泵浦光纤的泵浦光能量逐渐耦合到有源光纤,即在整个光纤长度内采取分布耦合的方式,从而避免了“热点”的出现,并且便于输出功率的提高。
 

 
图4. 光纤激光器在一些新的应用领域找到了用武之地,例如对硅晶片进行加工。使用该方法形成的边缘断裂相比于常规激光加工而言可以忽略(左图)。输出功率为200W的光纤激光器还可用于金属烧结快速原型化部件的制造,例如通过烧结钛2粉末制作的变形镜底座(右图)。

除增加泵浦注入端口的数量外,GTWave信号光纤末端保持自由以进行连接,从而无需阻隔信号光路就可以对若干单元进行级联。近期SPI公司的演示显示,GTWave光纤激光单元的输出功率超过450W。这一功率水平将进一步推动光纤激光器向工业应用领域渗透。

市场前景
人们已经制成了输出功率超过1kW的单光纤、单模输出光纤激光器。此外,对于预期的热负载以及光纤的光学损伤阈值的考虑表明,光纤激光器的输出功率有望提升到10kW,这将适用于高功率工业及航空应用。目前,一些研究小组正在研究功率合并以及功率提升到几千瓦单光纤水平。然而要达到这一水平需要开发亮度更高的泵浦源和特制的有源光纤,以进行精确的模式控制,并抑制光学非线性。

通过使用不同的有源掺杂物(包括铒、铒-镱、钕、铥)或者利用光学非线性(例如拉曼增益),光纤激光器还可以提供更多的输出波长。
事实证明,光纤激光器具有出色的性能、输出功率放大能力,以及更宽的输出波长范围。它们不仅对现有应用起到了增强作用,还将在工业领域找到新的用武之地。可以预见,光纤激光器的市场份额必将日益扩大。

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