近幾十年來(lái)，包層泵浦光纖激光器在激光行業(yè)大獲成功，且近期的報(bào)告顯示這種增長(zhǎng)將繼續(xù)保持良好的趨勢(shì)。無(wú)論是用于打標(biāo)的低功率光纖激光器，還是用于切割及焊接的高功率光纖激光器都迅速地?cái)U(kuò)大了市場(chǎng)份額。近期報(bào)告還顯示，用于工業(yè)激光器最大市場(chǎng)金屬薄板切割的光纖激光器將很快超過(guò)CO2激光器。此外，作為制造皮秒和飛秒短脈沖激光器的重要元件，光纖放大器、光纖準(zhǔn)直鏡等光纖激光器元件也在被廣泛使用。
準(zhǔn)連續(xù)（QCW）光纖激光器
本文我們將介紹同樣正在市場(chǎng)迅速崛起的第三種光纖激光器。被稱為準(zhǔn)連續(xù)（QCW）激光器的一類近紅外光纖激光器正在迅速取代歷史悠久的Nd:YAG燈泵浦激光器。電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性好、免維護(hù)、穩(wěn)定性強(qiáng)及更小的占地面積——這些光纖激光器相對(duì)于其他激光器的核心優(yōu)勢(shì)已具有良好的證明，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器同樣具備上述所有優(yōu)勢(shì)。
自2011年榮獲國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)頒發(fā)的Prism獎(jiǎng)以來(lái)，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器已經(jīng)獲得產(chǎn)品系列的全面發(fā)展，某些型號(hào)具有高達(dá)20 kW的峰值功率。由于切割及鉆孔應(yīng)用曾經(jīng)在《激光微加工工藝在規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用》中進(jìn)行過(guò)討論，我們這里將討論準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器其他更多的應(yīng)用。
研發(fā)準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的初衷，是希望將光纖激光器的優(yōu)勢(shì)引入那些需要低平均功率、低占空比的脈沖激光焊接，例如圖1所示的有限熱導(dǎo)點(diǎn)焊。然而研究人員很快發(fā)現(xiàn)，這些高亮度能量源可以使用更小芯徑的傳輸光纖。實(shí)際上，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器可連接單模光纖（芯徑小于15 μm），具有極為精細(xì)的切割及鉆孔性能。
圖1 典型的有限熱導(dǎo)點(diǎn)焊
許多光纖激光器（但不是全部）區(qū)別于其他激光工藝的特性在于單芯結(jié)二極管激光泵浦源。作為全球高功率光纖激光器的領(lǐng)導(dǎo)者，成功在很大程度上得益于這些單芯結(jié)二極管的穩(wěn)定性和使用壽命。使用單芯結(jié)二極管泵浦而不是二極管巴條或陣列的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于可以在0–100%的占空比范圍內(nèi)泵浦有源光纖，也就是說(shuō)可以在0–100%的占空比范圍內(nèi)調(diào)制連續(xù)激光器。這種調(diào)節(jié)范圍在QCW光纖激光器上同樣適用。
實(shí)際上光纖激光器的有源光纖芯徑本身特別的小（<15 μm），所以只能形成單模輸出。這樣不僅能夠高效的生成相干光束，而且憑借其超高的表面積/體積比率，光纖幾乎完全可以進(jìn)行自冷卻。由此解決了溫度波動(dòng)及相關(guān)的熱效應(yīng)問(wèn)題，保證了極其穩(wěn)定的光束輸出。
用小芯徑有源光纖輸出激光束的另外一個(gè)重要作用，就是在必要的時(shí)候，可以通過(guò)單模無(wú)源光纖（稱為“傳輸光纖”）將激光輸出至激光加工頭。這種情況下光束具有最大的亮度和聚焦性能。在許多材料加工應(yīng)用中，專業(yè)技術(shù)人員可以通過(guò)接入芯徑較大的傳輸光纖，或是只是簡(jiǎn)單地添加一個(gè)光耦等方式，從一臺(tái)激光器中獲得不同的光束直徑及光斑尺寸。
增加的多個(gè)泵浦二極管只需簡(jiǎn)單的接入有源光纖。將這些二極管的占空比限定為10%大幅降低了對(duì)電源功率的需求，但當(dāng)激光器處于脈沖模式時(shí)，就能產(chǎn)生10倍以上的瞬時(shí)（峰值）功率。某些型號(hào)甚至可以在幾毫秒的脈寬內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)60 J的脈沖能量。
激光“耦合”或破壞金屬表面反射率從而開(kāi)始產(chǎn)生一次焊接的能力與激光脈沖的峰值功率密切相關(guān)。由于真正的QCW脈沖激光器擁有高一個(gè)數(shù)量級(jí)的峰值功率，這種耦合能力大大增強(qiáng)。這種特性使QCW激光器在低功率激光焊接應(yīng)用中對(duì)傳統(tǒng)的燈泵浦激光器和連續(xù)激光器非常有競(jìng)爭(zhēng)力。
由于準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的研發(fā)初衷是點(diǎn)焊，因此需要注意的是， 150 W連續(xù)激光器需要67 ms產(chǎn)生10 J調(diào)制脈沖能量。光束峰值功率與連續(xù)輸出功率相同，也是150 W。下圖中的公式表明，這種較低峰值功率的光束所生成的峰值功率密度（也就是輻照度）會(huì)更低。
然而，能量需求最低的準(zhǔn)連續(xù)激光器在用于圖1所示的有限熱導(dǎo)點(diǎn)焊時(shí)，能在頻率為15 Hz，脈寬為8 ms時(shí)生成峰值功率為1250 W的10J脈沖能量。很明顯，10 ms內(nèi)在焊接部件上產(chǎn)生的間接熱影響要比67 ms所產(chǎn)生的間接熱影響小得多。
準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的命名規(guī)則反映了增強(qiáng)的峰值功率，以XXX/YYYY組合表示，其中XXX為平均功率，YYYY為峰值功率——峰值功率通常為平均功率的10倍。所以，一臺(tái)型號(hào)為“150/1500”的激光器表示在一個(gè)脈沖周期內(nèi)其平均功率為150 W，峰值功率為1500 W ，最大占空比為10%。如今，準(zhǔn)連續(xù)激光器的平均功率最高已達(dá)到2 kW，峰值功率達(dá)到20 kW，用于航空航天合金高速激光鉆孔（如圖2所示）。
圖2 用于航空航天鉆孔應(yīng)用的高功率準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器
從本質(zhì)上說(shuō)，如果某種激光工藝需要峰值功率，那么與可以提供相同峰值功率的連續(xù)激光器比，這種準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器更具性價(jià)比。新一代準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器的脈寬可低至10 μs。需要注意的是，最大脈寬與峰值功率成反比：脈寬為10 ms時(shí)峰值功率為1500 W，脈寬為15 ms時(shí)峰值功率為1000 W，脈寬為50 ms時(shí)峰值功率為300 W，脈寬越長(zhǎng)，峰值功率越低。因此，對(duì)峰值功率的要求越低，比如焊接低反射材料，可選擇的脈寬就越長(zhǎng)，占空比也越高。
