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光纤激光器技术发展趋势分析

2015-03-23 08:59
小伊琳
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  光纤激光器具有诸多好处,例如长寿命、低复杂度、降低运行成本以及维护要求低。如今,可以在繁多的基于光纤的产品中,找到功率量级与过去采用二氧化碳激光器的应用需求相匹配的光纤激光器。

  光纤激光器最早于1961年归功于Elias Snitzer,并于1962年由美国通用电气公司(GE)和美国国际商用机器公司(IBM)的两个小组,首次演示验证了从半导体二极管发射相干光(首台二极管激光器)。从此以后,光纤激光器技术的功率量级得以极大提高,达到了成熟的、“历史性的”二氧化碳激光器技术的水平。正是在这50千瓦平均功率的量级上,技术方面的差异引出最清晰的焦点:一个50千瓦的二氧化碳激光器占据了一间小房子的空间,而一个50千瓦光纤激光器仅占用接近一个大的冷冻柜空间。

  光纤激光器的其他各项好处,例如使用方便、结构组成简单、接近零维护、转换效率高以及运行成本低等,已被广泛接受。因为一些用户会更喜欢与熟悉的产品和技术,因为一些用户宁可一直采用已熟悉的产品和技术,以及保持与激光器供应商之间已建立关系,目前采用的二氧化碳技术始终难以被取代。

  光纤激光器结构

  光纤激光器包括一系列物理性拼接在一起的光纤构件,使激光束不离开光纤组成的光缆,直至激光束从聚焦于工件的光纤显现。当这种工程方法与使用单发射泵二极管相结合时,其结果是可获得最强大和持续时间最长的激光工具。单发射泵二极管的平均故障间隔时间(MTBF)寿命达到30万小时。虽然这是以可靠的统计数据为基础,但这些数值实在太高,有些激光器用户难以置信。或许,给予这些典型电信寿命时间数值的可信度缺乏,至少部分地是因为与采用二极管条或者二极管堆栈作泵有关的寿命时间问题。就在光纤激光器问世之前,许多以二极管条、特别是二极管堆栈作泵的固态(DPSS)激光器,其可靠性声誉相当差。

  光纤激光器技术面临着许多挑战:对背向反射的敏感性;随着时间推移,神秘光子暗化效应或者光纤退化;以及最近认知的,切割厚度大于15毫米的材料时,各种红外(IR)固态激光器(盘和光纤两者),与二氧化碳激光器之间的差异。虽然对于解决这些问题的完整解释超出了本文的范畴,但所有这些问题现在已经得到解决。

  低功率光纤激光器的发展

  由于在谱系高低功耗两端的大批量销售,已经实现了垂直整合所取得的规模经济。在低功率的档次上,低功率光纤激光器的销量已使闪光灯泵激光打标机的销量黯然失色。已经售出了数以万计的这种低功率装置,几乎每一个标识系统制造商在其产品阵容都有一个基于光纤激光器的打标机。

  已有必要在对光纤激光器科学的深入理解基础上,覆盖整个激光器功率范围,严格控制各个光纤激光器系统中每一个基于光纤组件的技术指标。这已导致构建一个能够加以混合和匹配,形成广泛激光器系列的光纤组件的大型“工具箱”。对超短脉冲激光器业界正在生产和使用的光纤激光器产品系列的简要考查说明了这一点。

  在低平均功率领域里,这项可扩展模块化技术走向何方?答案是,在许多不同的方向。在产品范畴的低功率端,我们将介绍一部分,但并非所有的方向。

  纳秒至毫秒级脉冲的光纤激光器

  直到最近,标准纳秒激光打标模块已能满足大多数一般激光打标应用要求。这些激光器的功率量级达到50瓦,具有同样的足迹,没有亮度衰减。

  要求高平均功率和高亮度的组合,维持表中所示高的消融效率。实际上,有此类相同激光器的衍生产品,可以提供高达500瓦的平均功率,脉冲能量达50兆焦耳。这种激光器最令人兴奋的新应用,包括高速清除一定范围的薄膜和涂层。

  20瓦功率量级的可变脉冲长度的光纤主振荡器功率放大器(MOPA)系统已有多年了,其脉冲长度短至4纳秒。直到最近,由于用户更加熟悉先进的激光打标技术,这项额外的细化得到欣赏。有一个例子是使用低纳秒激光,在几乎完全是亚表面的聚碳酸脂中形成黑色标记,这满足了要求最低表面破坏的应用。这一过程中另外一项有趣的发展,是为随后使用相同的纳秒红外激光的聚合物焊接过程,使用此标记作为吸收体。

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