導(dǎo)讀:光纖激光器有許多類型，包括低功率連續(xù)（CW）激光器、低能量和高能量脈沖激光器，這其中又包括超快光纖激光器。

   光纖激光器將主動(dòng)（激光增益）光纖與一個(gè)或多個(gè)泵浦激光器（通常是激光二極管）結(jié)合在一起。光纖激光器有許多類型，包括低功率連續(xù)（CW）激光器、低能量和高能量脈沖激光器，這其中又包括超快光纖激光器。但是提起光纖激光器，也許很多人想到只是千瓦級(jí)連續(xù)光纖激光器，這類光纖激光器主要用于材料加工，包括切割、焊接、釬接、表面處理及其他諸多應(yīng)用，并且光纖激光器正研究用于軍事領(lǐng)域作為定向能武器。
　　光纖本質(zhì)上是一種非常細(xì)的長棒，這種構(gòu)造使其成為兩種具有特別高的表面積與體積比的激光器中的一種（另一種是碟片激光器——寬的、極短的棒），這類激光器更容易保持冷卻。光纖激光器的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單，易于維護(hù)；而且這類激光器體積緊湊，并且由于采用激光二極管泵浦，堅(jiān)固且壽命長。
　　大范圍的功率和波長
　　IPG Photonics公司市場開發(fā)經(jīng)理Alexei Markevitch概述了千瓦級(jí)光纖激光器的波長和功率范圍�！癐PG公司生產(chǎn)波長為1μm（摻鐿光纖）和1.5μm（摻鉺光纖）的標(biāo)準(zhǔn)千瓦級(jí)CW激光器，同時(shí)也生產(chǎn)波長為2μm（摻銩光纖）的定制千瓦級(jí)光纖激光器，以及通過拉曼頻移實(shí)現(xiàn)的波長在1.1~1.7μm之間的激光器。”他說道，“較長的波長使得非金屬材料加工和其他新應(yīng)用成為可能，并且被認(rèn)為是人眼安全的，因?yàn)檫@些波長處的人眼損傷閾值比在1μm波長處高出很多數(shù)量級(jí)�！�
　　Markevitch指出千瓦級(jí)光纖激光系統(tǒng)工作在CW或高達(dá)5kHz的調(diào)制模式下，并具有從10%到全功率、且光束發(fā)散或光束輪廓無變化的動(dòng)態(tài)范圍。
　　Markevitch介紹說，在1μm波段，IPG公司的單模YLS-SM摻鐿光纖激光器能提供1~10kW的功率范圍。這些單模系統(tǒng)用于那些需要極高功率和極高亮度的先進(jìn)材料加工應(yīng)用中，例如精細(xì)切割和表面結(jié)構(gòu)化、高反射率金屬的切割、微焊接、燒結(jié)和雕刻，以及遠(yuǎn)程加工和定向能應(yīng)用。
　　“IPG公司的多模YLS摻鐿CW光纖激光器，提供1~100kW的功率范圍，甚至可以根據(jù)客戶要求定制高達(dá)數(shù)百千瓦的激光器�！盡arkevitch表示，“它們具有許多用途，包括切割、鉆孔、釬接、焊接、退火、熱處理和熔覆。隨著設(shè)計(jì)的不斷完善，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)YLS系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了超過40%，業(yè)界記錄的YLS- ECO系列的電光轉(zhuǎn)換效率超過50%�！�
　　相同的多模YLS激光器用于高、低亮度的應(yīng)用，例如焊接、鉆孔和精密切割——“這是一種前所未聞的能力。”Markevitch說道，“高亮度允許使用長焦加工透鏡，用于大大改進(jìn)場深，并將對(duì)光學(xué)元件的損傷降到 低�！�
　　雖然高亮度多模激光器在材料加工應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但是單模千瓦級(jí)CW激光器正在贏得越來越多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兛梢允鼓切┬枰�高CW峰值功率、極小光斑尺寸、和/或遠(yuǎn)程加工能力的新應(yīng)用成為可能。Markevitch所描述的YLS-SM激光器的一些應(yīng)用，包括用于篩選和過濾的不銹金屬的高速切割、陽極和陰極電池箔的遠(yuǎn)程切削、銅（Cu）和鋁（Al）箔的遠(yuǎn)程和氣體輔助高速切削，以及 小畸變薄金屬的大高寬比窄焊接。
　　Markevitch強(qiáng)調(diào)的千瓦級(jí)CW單模激光器應(yīng)用的一項(xiàng)特定案例，是在汽車工業(yè)中的鑄鐵和鋁發(fā)動(dòng)機(jī)的微結(jié)構(gòu)加工。環(huán)境法規(guī)對(duì)更低能耗、以及減少污染和二氧化碳排放量的要求，需要更薄、更輕的發(fā)動(dòng)機(jī)。一種具有減薄壁厚的馬達(dá)模塊的新型設(shè)計(jì)，輔以激光材料加工，使得每個(gè)氣缸可減少1公斤的重量。
　　為了獲得更高的機(jī)械阻力并優(yōu)化熱傳導(dǎo)，氣缸周圍噴有較薄的等離子體涂層（見圖1）。在實(shí)施熔覆加工之前，氣缸表面加工有微結(jié)構(gòu)槽，微結(jié)構(gòu)的典型特征尺寸為100μm或者更小。

　圖1：采用IPG公司的2kW單模光纖激光器為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)加工的孔的圓筒形表面，然后采用等離子噴涂產(chǎn)生硬涂覆，取代傳統(tǒng)的氣缸套。激光加工微槽有助于涂覆粘附到氣缸上。
　　以往這種表面結(jié)構(gòu)化都采用機(jī)械或水射流加工。這些傳統(tǒng)技術(shù)有種種弊端。例如，機(jī)械加工效率較低，只能垂直于表面進(jìn)行，且處理不同零件和槽尺寸時(shí)需要更換工具。水射流具有非常高的功耗（每個(gè)噴嘴120kW），以及較大的耗水量（水受鋁污染），在鋁中產(chǎn)生海綿效應(yīng)，需要在真空腔內(nèi)干燥，并且只能在鋁零件上完成。
　　“額定功率為2kW的單模YLS-2000-SM激光器，可以加工鐵（Fe）和鋁（Al）零件，易于適應(yīng)處理不同直徑且具有不同深度（深達(dá)30μm）的槽的零件， 大功耗為5.5kW�！盡arkevitch解釋道，“還可以實(shí)現(xiàn)不同的凹槽角度。槽的質(zhì)量和生產(chǎn)率相比傳統(tǒng)技術(shù)均大大改善�！�
　　模塊化設(shè)計(jì)
　　美國Lumentum公司激光器產(chǎn)品與技術(shù)高級(jí)主管Erik Zucker，描述了該公司的Corelight千瓦級(jí)CW光纖激光器產(chǎn)品線的模塊化特點(diǎn)和內(nèi)部運(yùn)作�！拔覀兊幕�本��(gòu)建模塊是一個(gè)輸出功率超過2kW的雙包層光纖、單振蕩器模塊，”他解釋說，“可以將幾個(gè)這種模塊組合在一起，通過單光束提供明顯更高的功率。我們的光纖激光器主要用于2D金屬板切割，包括低碳鋼、不銹鋼、鋁、銅和黃銅等多種材料。它們也可以用于金屬焊接、釬焊和熔覆應(yīng)用�！�
　　2kW光纖激光器模塊由單光纖振蕩器構(gòu)成；該單光纖振蕩器構(gòu)成通過Lumentum公司的ST系列高亮度、光纖耦合激光二極管陣列進(jìn)行端面泵浦，Zucker表示該泵浦激光器也是由他們公司自己設(shè)計(jì)和制造的（見圖2）。

圖3：羅芬公司基于掃描頭的光纖激光器正在進(jìn)行汽車零部件焊接。

   Rath表示，這些高功率光纖激光器是宏觀應(yīng)用分支中金屬激光切割和焊接的標(biāo)準(zhǔn)工具（見圖3）。標(biāo)準(zhǔn)的切割系統(tǒng)通常配備緊湊的光纖激光器，根據(jù)切割系統(tǒng)的功率和板材厚度，配備芯徑為50μm或100μm的直接加工光纖。“汽車部件焊接在幾個(gè)工作站內(nèi)頻繁實(shí)現(xiàn)，幾個(gè)工作站通過不同的、可長達(dá)100m的光纜與激光器相連接�！� Rath解釋道，“這樣的設(shè)置有助于減少周期時(shí)間，優(yōu)化激光的利用。例如，當(dāng)激光器在B工作站處焊接第二個(gè)工件時(shí)，A工作站內(nèi)可以裝配并夾持零件�！�
　　由于通過選擇光纖尺寸可以使光纖激光器與應(yīng)用相匹配，因此相同的激光器可以用于不同的操作。例如，制造一種汽車零件采用三種不同的激光加工方法在三個(gè)工作單元內(nèi)順序執(zhí)行：去除涂層（采用高光束質(zhì)量和集成掃描頭加工實(shí)現(xiàn)）、切割孔徑以獲得完美匹配，以及焊接工序。
　　背反射隔離
　　在高度反射的材料上進(jìn)行操作的千瓦級(jí)工業(yè)光纖激光器，面臨背反射的問題。從工件上激光光學(xué)元件聚焦區(qū)域反射的光，通過激光系統(tǒng)后向傳輸�！坝捎诠ぜ�表面的不��(guī)整性，缺乏與表面法線的精確對(duì)準(zhǔn)，以及加工元件有限的收集角，典型的背反射僅為激光功率的一小部分；此外，在許多情況下，背反射的持續(xù)時(shí)間短（例如穿孔）�！泵绹鴑LIGHT公司總經(jīng)理Jake Bell說，“然而，一些光纖激光器的設(shè)計(jì)使得加工反射材料變得困難或者不可能。”
　　nLIGHT公司生產(chǎn)一系列材料加工光纖激光器，輸出功率范圍500W~4kW。在其他特性中，nLIGHT公司的alta系列具有獨(dú)特的配置,以 小化背反射�！氨撤瓷渌�造成的損傷通常是由于光學(xué)功率沉積到聚合物材料中，由于過熱而燒壞的結(jié)果�！盉ell說，“nLIGHT公司的alta將耦合進(jìn)傳輸光纖中的背反射光剝離，并將其引導(dǎo)到水冷光束收集器，在該處激光被轉(zhuǎn)換成熱而不與聚合物有任何相互作用，從而消除了主要損傷機(jī)理。該無聚合物隔離器設(shè)計(jì)成可持續(xù)收集超過500W的光（見圖4）�！�

　  圖4：nLIGHT alta設(shè)計(jì)成在激光器和傳輸光纖之間具有背反射隔離器（a）。直接背反射進(jìn)光纖大于500W的連續(xù)激光穩(wěn)定性數(shù)千小時(shí)的壓力測試，顯示沒有不穩(wěn)定運(yùn)行的指征（b）。
　　Bell表示：“我們評(píng)估了穿孔時(shí)隔離系統(tǒng)的性能，在這種激光切割下產(chǎn)生 高的背反射信號(hào)。該測試成功處理了銅的連續(xù)4000次穿孔，沒有中斷或故障的穿孔。與由我們的背反射隔離器提供的可靠的、基于硬件的保護(hù)相反，一些其他的光纖激光器利用軟件保護(hù)在背反射的情況下禁止激光；這種方法可能保護(hù)激光器，但它妨礙成功和連續(xù)的材料處理。”
　　Bell指出，收集在隔離器中的背反射光，用光電二極管監(jiān)測。該傳感器的實(shí)時(shí)輸出提供給用戶，用于在過程監(jiān)控、優(yōu)化和控制（例如穿孔檢測）中使用，或者是工具校準(zhǔn)（如光束位置和焦點(diǎn)）。
　　Bell概括的nLIGHT alta激光器的其他特質(zhì)包括改進(jìn)的切割和焊接性能，這些激光器可以提供高達(dá)100kHz的調(diào)制率，以及低于5μs的上升和下降時(shí)間。這些功能允許更快的穿孔，精細(xì)特征更快的處理速度，并通過 小的熱影響區(qū)實(shí)現(xiàn)更好的加工質(zhì)量。
　　“大多數(shù)數(shù)千瓦級(jí)光纖激光器系統(tǒng)采用對(duì)基于多個(gè)低功率光纖激光器的輸出合束的架構(gòu)，導(dǎo)致成本、性能、可維護(hù)性、可升級(jí)性以及對(duì)技術(shù)進(jìn)步的順應(yīng)性方面的顯著缺點(diǎn)�！盉ell補(bǔ)充道，“我們介紹一種新穎的千瓦光纖激光器架構(gòu)，通過將泵浦二極管和驅(qū)動(dòng)器安放在單獨(dú)的泵浦模塊中，以及將增益光纖安放在可配置的增益模塊中，解決了這些問題，可以產(chǎn)生超過4kW的輸出功率。”
　　這些激光器具有可調(diào)整的光束質(zhì)量（BPP≥1.1mm-mrad），已經(jīng)應(yīng)用于低碳鋼、硼鋼、不銹鋼、鋁、黃銅和銅的高質(zhì)量切割和焊接，并且也已經(jīng)在新興的應(yīng)用，包括增材制造、表面紋理化和雕刻中得以使用。
　　快速組件更換或升級(jí)
　　根據(jù)美國相干公司材料加工市場總監(jiān)Frank Gaebler的描述，第一代光纖激光器直接基于電信平臺(tái)大規(guī)模擴(kuò)展到更高功率，它們采用大量的單獨(dú)泵浦激光二極管，每個(gè)都采用獨(dú)立光纖耦合，并永久熔接在一起。
　　“這種獲得更高功率的方法有幾個(gè)限制。”他說，“特別是所有部件被永久熔接在一起。如果一個(gè)組件出現(xiàn)故障或退化，就沒有辦法進(jìn)行更換。例如，早期的產(chǎn)品對(duì)來自于金屬加工的背反射非常敏感。如果光纖熔接、泵浦二極管、傳輸光纖，或任何其它激光器組件由于這種背反射損壞，必須將激光器拿到工廠修理或更換，這將影響正常運(yùn)行時(shí)間和生產(chǎn)效率。
　　相干公司制造了基于靈活的模塊化架構(gòu)的第二代千瓦級(jí)光纖平臺(tái)（Highlight FL）（見圖5）。相干公司的工程師們使用實(shí)質(zhì)上不同的設(shè)計(jì)方法，消除了多個(gè)泵浦和熔接的復(fù)雜性，具備模塊化架構(gòu)，還允許簡單替換和/或升級(jí)各種組件，包括傳輸光纖。

　 圖5：相干公司Highlight FL光纖激光器可以結(jié)合機(jī)器人使用，使白色家電（洗衣機(jī)、廚灶等）行業(yè)的高速3D零件切削成為可能。
　　“我們使用光纖耦合高功率激光二極管巴條，而不是多個(gè)獨(dú)立的激光二極管，” Gaebler說，“然后它們的輸出采用自由空間耦合進(jìn)入增益光纖；這種耦合模塊也可用于將增益光纖連接到可拆卸的傳輸光纖�！彼�補(bǔ)充說，這樣的做法對(duì)OEM系統(tǒng)集成商特別具有吸引力，因?yàn)樗麄兛梢愿鶕?jù)專業(yè)知識(shí)水平或者深度集成的要求，購買完整的激光器或單獨(dú)的模塊，并且可以迅速改變或更換傳輸光纖以適應(yīng)不同的應(yīng)用。
　　在規(guī)格方面，目前相干公司的Highlight FL光纖激光器瞄準(zhǔn)大功率的穩(wěn)定增長，Gaebler介紹說， 新型號(hào)可提供3kW的功率，并有望在2016年增加到4kW。“目前，我們的傳輸光纖模塊提供100μm纖芯，其對(duì)應(yīng)的BPP約為4mm·mrad�！彼�說，“對(duì)于某些型號(hào)， 近已可以提供50μm纖芯的傳輸光纖，BPP可以降低高達(dá)兩倍。由于具有高功率和低BPP，這些HighLight FL激光器非常適合用于處理厚度從薄箔到幾毫米的金屬�！�
　　Gaebler指出，早期的光纖激光器有時(shí)受困于切割、鉆孔和焊接某些金屬。例如，光纖激光器的基頻輸出波長通常在1μm附近。在該波長區(qū)域，黃銅和銅表現(xiàn)出非常高的反射率，銅鏡廣泛用于各類近紅外激光器的光束傳輸就是證明。背向反射已經(jīng)使這些金屬成為第一代光纖激光器加工的顯著挑戰(zhàn)。

 　 圖6：不受背向反射的影響，使得某些高反射金屬材料的切割成為可能。橫截面視圖顯示了用相干的Highlight FL激光器切割1.25mm厚的黃銅（a）和1.2mm的銅（b）。
　　根據(jù)Gaebler的描述，不同于第一代光纖激光器，Highlight FL激光器架構(gòu)不受背向反射損傷的影響有兩大原因：1）二向色光束合束器的幾何形狀和光學(xué)性質(zhì)，意味著任何背向反射不能到達(dá)泵浦二極管巴條；2）不存在光纖熔接，從而不會(huì)被任何背向反射損傷。其結(jié)果是該激光器不受“對(duì)反射性金屬需格外小心加工”這一因素的限制（見圖6）。