光纤激光器的设计及应用

光纤激光器的设计及应用

   随着上世纪90年代末电信市场的崩溃，光纤激光器制造商已将工作重心转向满足工业制造、军事、医疗以及航天领域的需求。

过去，光纤激光器广泛应用于电信产业领域，可使高质量单模低功率系统的平均无故障时间达到约25年，确保只要通信技术安装之后，就可以一劳永逸，根本不用为其担心了。从电信向其他产业的这一转变需要相应的高低功率激光技术，重点要满足一定的操作和性能目标，从而占据价值数十亿激光材料处理市场的一部分份额。目前市场上销售的各种光纤激光器技术种类之多令人吃惊，可满足各种工业应用的需求。

功率级小于200W的低功率单模系统正在微处理标记和医疗应用中得到越来越多的采用，同时该技术也在向高功率级方向快速发展，不会损坏光纤。此外，其还为激光材料处理应用开辟了新的天地。

各厂商均推出了光纤激光器系统和元件。GSI推出的商业产品系列的输出功率高达200W，明年可达2千瓦，而IPG的产品输出功率则小于10kW。IMRA、Spectra- Physics Inc、Synchronous Inc及Optigain Inc等制造商主要经营低功率和短脉冲领域。显然，单模光纤激光器已率先占据了其它低功率激光器技术的一部分市场份额，与现有的CO2和灯泵浦 Nd:YAG技术竞争。本文将重点讨论高功率光纤激光器技术的近期发展，并探讨现有相关技术标准将为当今对技术不断提出更高要求的制造产业带来何种新机遇。
 
 光纤激光器设计 

 高功率光纤激光器小巧可靠，在光束质量和功率转换效率（大约20％）方面优于灯泵浦Nd:YAG激光。光纤激光器含有一个长光纤激光器腔（约12米），沿整个长度方向分配泵浦能量。高效率可以减少热管理问题，而余热可以沿整条光纤消散。大部分掺稀土硅光纤激光器都是由输出分别约为 1550nm与1060nm的Er或Yb掺质物组成。与1550nm输出相比，1060nm输出时可实现更高的效率。横电磁模分布由纤芯的导波特性控制。宽度为数十微米的窄光纤可以实现单模操作，而更高的纤芯直径可以产生更高阶模式。 

 在设计稳定、可靠的光纤激光器系统过程中，一系列其他基于光纤的元件可以构建单片式“全光纤”激光腔。其他文献已经广泛探讨了全光纤设计的优势，其中两个主要优势是无光学对准和外露光学表面。这些功能元件中最主要的是泵浦合束器和布拉格光栅反射器。图1是我们设计的此类光纤激光器腔的示意图。输出光纤采用直径低于10微米的单模纤芯，其可以确保高质量光束输出。此架构旨在能够在水冷散热片构造中产生高达500W输出功率，并且达到10万小时二极管整体使用寿命，同时能够在室内空气温度达到35℃情况下采用强制空气冷却产生高达120W输出功率，并且可靠性与二极管相当。 

 光纤激光器系统的性能与可靠性取决于泵浦激光二极管。过去十年来，能够在900～980nm波长范围内产生数瓦输出功率的多模二极管泵浦源已经实现商用。有些泵浦源具有极高的可靠性，其正常工作条件下的平均无故障时间已经超过50万小时。结合适当冗余性，MTBF超过10万小时的此类泵浦源都能够用于构建输出功率达到数百瓦的光纤激光器。

 
 应用于显微机械加工 

 对于需要优异模质量和高聚焦性能来实现小形体尺寸的显微机械加工工艺，这些新型激光器能够实现商业应用。多年来，脉冲 Nd:YAG激光一直是金属精密切割、精细焊接和钻孔的首选。在1微米波长附近，与同等二氧化碳激光器相比，其聚焦光学镜更小，更简单，而且可以实现更小的光点尺寸。超精密显微机械加工对更高效、小巧、高光束质量激光器的需求推动了光纤激光器开发工作的快速增长。这些激光器在IR光谱区附近工作，与传统激光相比具有多种优势，而且在实现新的显微机械加工应用方面具有更大潜力。
 医疗行业是激光微切割最重要的应用领域之一，光纤激光正在逐步替代脉冲灯泵Nd:YAG激光。由于以下两个基本原因，医疗设备一般很小：一是它们通常需要安装到狭小区域；二是其制作材料昂贵，减少尺寸也就是降低成本。能够在仅有几微米区域工作的激光器是精巧、昂贵设备的理想解决方案。医疗设备行业对微切割需求最强烈的应用可能是支架切割。支架是一种永久插入动脉的纤细、格状金属管。其有助于扩张动脉，疏通血流。这种插入到患病冠状动脉中的圆柱形金属支架，能使血液恢复充分流通。支架所用材料包括316L不锈钢或镍钛合金（形状记忆合金）。管的典型直径为1～10毫米，壁厚约 100微米。关键是切口宽度要小（20～30微米），这就要求光纤激光器需提供较高的光束质量与激光功率稳定性。激光切割必须具有较高的表面质量，较小的热影响区域，而且无残渣。图2是经过切割与超声波清洗器清洗后的典型支架SEM显微图。利用100W光纤激光器可以实现超高轮廓精度（<5微米）的无残渣切割（宽度为20微米）。采用单模激光输出以及氮气辅助气体，切割厚度为0.5毫米的316L不锈钢的典型速度大约为5米／分钟。图3是氧气和氮气之间的不锈钢切割速度对比图。相关切割数据来自GSI 100W单模光纤激光器。 

 光纤激光器也是SMT模板制作的理想选择。可以在厚度为250～500微米的不锈钢中制作各种形状的精密轮廓。

除了适用于黑色金属和非金属薄片，光纤激光器在切割厚的多晶硅（硅片）方面也颇具优势。多晶硅材料非常脆，在激光切割过程中极易破裂。迄今，脉冲灯泵Nd:YAG已经成功用于切割此类材料。最初采用单模100W光纤激光器在GSI上进行的切割实验在切割速度、切割边角质量和细裂纹（长度约10～15微米）方面取得了非常令人振奋的成果。这和采用脉冲Nd:YAG激光源十分接近，只是因为条纹比Nd:YAG激光器差几个数量级，从而在边缘质量方面仅稍逊一些。
 
 应用于微焊接 

 由于单模光纤激光器具有高光束质量，因此在焊接黑色金属和有色金属材料薄片时可以实现很高的焊接速度。采用GSI单模光纤激光器已经证明能够实现钛及不锈钢的薄片、高纵横比焊接以及小孔焊接。低功率单模光纤激光器可用于各种材料的点焊、传导焊接以及小孔焊接，这些材料包括低碳钢、 Inconel、镀锌钢、铝合金、铜合金、不锈钢以及钛合金等。 

 利用CW光纤激光器只能焊接最大厚度为1毫米的不锈钢，而利用配置高功率、增强型控制以及复杂脉冲成形设备的高精度、低平均功率Nd:YAG激光器可以提高众多材料的微焊接灵活性。利用脉冲（脉冲成形）中时间能量变化的正确成形，可以实现各种材料的高质量焊接，其中包括铝合金、铜合金以及异金属材料等高反射比材料。 

 由于具有很高的光束质量和小光点直径，单模光纤激光器非常适合微切割。但是由于目前其脉冲能量和峰值功率较低，而且脉冲宽度很窄，因此此类激光并非微焊接应用的首选。
 
 应用于宏观机械加工 

 当前，各种用户仍然在对高功率光纤激光进行评估，其主要应用包括汽车、航空航天以及造船等行业。在汽车行业，光纤激光用于白车身焊接、激光拼焊板以及液压成形切割等。与传统的灯泵浦Nd:YAG激光相比，光纤激光因具备优异的光束质量而可用于汽车行业的远距离焊接。 

 显然，此类激光能够实现极高的焊接速度以及深度穿透力。但是，解决利用小光点直径和高光束质量焊接厚板材时存在的问题仍然有待进一步改进，如：部件装配，更重要的是深度穿透小孔产生的激光诱导等离子体／异质物。此类等离子／异质物会妨碍焊透深度，造成熔池中心蒸汽填充小孔的不稳定性，从而造成粗孔隙，对于厚度超过4毫米的材料尤其如此。