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DPSS激光器与光纤激光器争夺打标市场

2008-05-30 18:49
林契于宸
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作者:Stuart Woods,Coherent公司业务开发主任
Tobias Pfanz,Coherent公司产品市场经理

    一款独特的单片装配系统实现了一种高度稳定的二极管泵浦固态激光光源,它能够获得比光纤激光器更宽的光谱,因此更适合于打标应用。

    光纤激光器技术已经从2002年的“缝隙角色”(niche play)成长为今天的主流激光器技术,然而二极管泵浦固态激光器的发展又如何呢?尽管在过去的5年间,二极管泵浦固态(DPSS)激光器可能在性能指标方面没有太大改善,但是其在制造工艺上的进步,却对它们的性能产生了积极的影响。 

    美国相干公司开发了一种独特的装配机制,用于装配DPSS激光器谐振腔中实现必需的性能和成本特征的光学元件,同时还开发了机器辅助的装配方法,用以实现单元到单元的高度一致性(见图1)。一般的工业激光打标应用要求光源结构坚固,并且在瞄准稳定性、高光束质量(低M2值)以及低噪声方面具有较高的性能。在很宽的工作温度范围以及苛刻的工业制造环境中,激光器必须要十分可靠地保持上述性能。而且,打标应用对成本极其敏感,因此用于打标的激光器的制造成本必须要低廉。


图1. 按照PermAlign生产
技术,二极管泵浦固态激
光器谐振腔中的每一个光
学元件都牢固地焊接在
陶瓷基底上。

    光纤激光器:劳动密集型 

    光纤激光器完全是由光纤——又长又细的玻璃纤维制成的。这既是长处也是缺点。由于光纤本身仅比人的头发略粗,因此光纤激光器的制造过程中大部分工作是对光纤的操作和封装。

    从基本结构上看,光纤激光器包括两个光纤布拉格光栅和一段增益光纤,此外还需要将光束从多模二极管光源耦合到增益光纤中,这通常是通过增加一个叫做合束器的元件来实现的。这五个光学元件——光纤布拉格光栅、合束器、增益光纤、合束器以及另一个光纤布拉格光栅要熔接在一起(见图2)。

    如今,这种光纤激光器(尤其是用于打标的激光器)的结构可以采取另外一种叫做主振功率放大器(MOPA)的形式来实现。这种结构的起始端不是光纤布拉格光栅,而是一个单模激光二极管,后面是一级或二级功率放大器。这些放大器是由与第一个例子中相同的增益光纤与合束器构成的。

    为了使这两种基本结构在工业应用中足够稳固,激光器的封装就成了一个关键问题。应力和热隔离是光纤激光器系统中要仔细控制的关键因素。应力可能引起光纤折射率的改变,从而影响激光输出模式;而热隔离对于制造光纤包层和熔接节点至关重要。

    由于光纤又细又长,在发射激光的过程中释放出来的任何热量都会散布到整根光纤。因此,就增益光纤来说,将光纤缠绕在线轴上或者把光纤埋入热复合物中,以便于将热量从整根光纤上移走就变得非常必要。对于MOPA结构,尽管它的起始端是一个熔接在放大器上的单模二极管激光器,放大器的增益光纤也必须以这样的方式进行热隔离。


图2. 光纤激光器的基本
结构包括几段光纤,以
及将光束从泵浦激光二
极管耦合到光纤中的
合束器。

    光纤激光器最令人惊叹的特征不是它的性能,而是上面所描述的所有步骤——光纤被缠绕到封装包中,以及激光器的装配,都是由手工完成的。通常在低功率光纤激光器中,成本的主要部分不是二极管,而是装配和机械部件。现在还很难想象未来光纤激光器在装配过程中不再需要大量的手工操作。

    DPSS激光器:单片装配,机器组装 

    二极管泵浦固态调Q激光器的谐振腔由反射镜、二向色滤光片等多个分立的光学元件构成。传统上这些腔内光学元件都被固定在可以通过螺杆传动进行角度调整的底座上。激光器一经准直,这些调整螺杆就被锁定在各自的位置上。对于科研用激光器,用户通常希望随时都能够对谐振腔进行重新优化,那么上述方法可以说是再好不过了。但是这对于工业用激光器,特别是当激光器与易受温度和湿度变化影响、以及振动压力影响的设备结合使用时,上述方法就不算理想了。可调底座会随温度变化或机械振动而发生移动,并且生产、装配和准直的成本都较高,即使简单的底座也要包含20个独立的部件。

    几年以前,相干公司开发出了制造OEM激光器的一种完全不同的方法,它可以直接消除上面提到的缺点。这是一种称为PermAlign技术的系统,目前该系统已经实现商用。在这种系统中,每个光学元件都通过低温焊料直接固定在一个低膨胀系数的陶瓷基底上。在焊接这些光学元件之前,每个基底都被牢牢地固定在激光器的底板上。


图3. 除了较高的稳定性
以外,PermAlign技术也
适用于印刷电路板工业
中发展起来的机器分拣
和定位装配。

    由于不存在可以移动的分立部件,因此这种单片集成的方法不会因为周围环境的抖动或震动而发生移动。此外,该技术也没有采用可能释放气体的塑料或者橡胶。激光器一经厂家校准,激光头就会被永久封闭,使激光器免受灰尘、蒸汽和湿气的影响。这种装配类型能够实现成本低廉的低功率激光器,因为每个底座只是带有少量焊料的一小块陶瓷。同样重要的是,这种方法能够实现机器辅助装配,光学元件的定位和焊接是根据光束分析仪器反馈的信息完成的,光束分析仪器包括一台光束分析仪和一个功率计(见图3)。

    适于打标的稳定性能 

    尽管DPSS激光器的传统制造技术可以获得较低的M2输出,但是却无法获得如今PermAlign技术所能实现的激光器的长期稳定性、性能的一致性以及体积的小型化。虽然光纤激光器可以在成本上与PermAlign技术相匹敌,并且可以实现单元到单元的一致性,但是这也要取决于产品和结构。另外,尽管光纤激光器在瞄准稳定性和噪声方面与PermAlign技术相当,但是光纤激光器的光束传输系统中使用的光纤是安装在金属框架内的,所以其稳定性和噪声性能将会受到影响。例如,与振荡器连接的出射光纤是通过长度通常为3m的可变形长金属管获得反馈的。此外,振荡器采用的掺钇光纤的吸收特性随着温度的变化而发生改变,因此输出噪声会随着温度的变化而提高5倍。

    利用PermAlign技术生产的红外波段激光器还具有适于打标的另外一些优点,因为DPSS激光器可以获得很好的光束质量和很高的峰值功率。特别地,DPSS激光器采用一种自由空间谐振腔,具有半球形的振荡器结构。这种类型的谐振腔是产生TEM00模和较低M2值所必需的。作为一个真正的点光源,这是激光束最容易的聚焦形式,它聚焦以后的光斑尺寸仅受限于光束传输光学元件中的衍射和像差。相比之下,光纤激光器则不能作为一个点光源,并且光束的特征要受到纤芯直径和光纤数值孔径的限制。此外,光纤激光器要想获得最大的峰值功率(像脉冲激光器那样高),就必须要用更大的纤芯来减小损伤和非线性阈值,因为这两个因素都与面积有关,并且随峰值功率呈指数增长。利用PermAlign技术生产的激光器可以获得小于1.3的M2值,而典型的光纤激光器的M2值大约为2,这就意味着对于相同的光束传输元件,光纤激光器的聚焦光斑直径将近前者的2倍,而光斑面积则为前者的4倍。

    这些对于打标有什么影响呢?首先,小的光斑尺寸可以实现高分辨率或微型打标,从而具有更宽的应用光谱。对于大量的工业应用来说,更重要的是,较高的光束质量可以增大激光器与打标表面的工作距离,以及扩大打标区域的面积。对于那些打标窗口很宽、或者作用于不规则形状的部件而需要改变工作距离的情况,这一点是非常有价值的。

    不管打标对象是软材料还是硬材料,将激光束聚焦到最小可能尺寸的能力、并支持高分辨率打标,这一点可以用来加工二维条形码或Logo图等复杂的高容量标记,或者将混合符号串缩小。

    历史上在激光器的制造过程中,需要熟练的技术工人对其进行无数次调整使其便于调节和优化。之后我们便看到了注重光束质量和功率的光纤激光器的出现,但是却很少听说它们在制造过程中的复杂性和劳动密集性。但是随着激光器日益渗透到工业应用中,它们必须经过重新设计使其在寿命之内提供最佳的输出特性,而只需最小限度的维护与调节,甚至不需要维护与调节。这对于保持激光器的成本竞争优势以及进一步拓展市场极为重要。

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