隨著應用能力的不斷拓展，光纖激光器開始滲透到常規激光技術曾經牢固占據的市場領域，現在人們提出了這樣的問題：光纖激光器應用的最終極限是什么？不管是在低功率打標應用中，還是在高功率機械與材料加工應用中，光纖激光器都以應用簡便、精度高、穩定性好以及靈活性高等特點，使用戶從中受益，這也驅動了光纖激光器市場的快速增長。 脈沖激光器的峰值功率范圍 激光打標通常要求系統成本低、便于集成，并且緊湊耐用。打標應用要求激光器能夠精確地對盡可能多的材料，比如金屬、聚合物、甚至是像食物那樣的有機材料進行重復標刻。這種加工需要能在較長時間內維持較高峰值功率的脈沖激光輸出。 脈沖光纖激光模塊性能優異，能夠同時提供好的光束質量（M2小于2）、可控脈沖重復率、峰值功率和能量（見圖1）。SPI公司推出的全光纖集成激光器結合了稱為“PulseTune”的脈沖整形技術，以及高增益脈沖放大采用的主振蕩器功率放大器（MOPA）構架設計。該激光模塊的平均輸出功率可達20W，能夠在很寬的參數范圍內應用，從重復率為25kHz、單脈沖能量為0.8mJ的高能脈沖（用于硬金屬標刻）到重復率高達500kHz（這是目前的最高重復率）、單脈沖能量為40礘的低能高速脈沖（用于在聚合物襯底上進行高速標刻）。高能端對應的峰值功率通常為15～20kW，高速端（即低能端）對應的峰值功率超過1kW。位圖標刻使用的激光器可以在連續波（CW）以及功率調制的模式下進行工作，激光器的輸出波長在1祄附近。 圖1. 由于采用了脈沖整形技術和主振蕩器功率放大器（MOPA）構架，SPI 公司的光纖激光器（右圖）在高達500kHz的重復率下，輸出峰值功率超過了3kW（左圖）。常規激光源的種子脈沖形狀和重復率相互依賴，并且僅能在40kHz的重復率以下提供與光纖激光器相當的性能。光纖激光器能在較寬的重復率范圍內維持高峰值功率的特性，是Q開關激光器（具有同等功率及尺寸）無法比擬的，無論是二極管泵浦固態（DPSS）激光器還是光纖Q開關激光器。采用Q開關激光器，當重復率高于某一特定值后，再增加重復率就會導致脈沖塌陷、脈寬顯著增加，并且峰值功率顯著下降。 PulseTune MOPA方法的關鍵性創新在于將脈沖控制與放大級分離，這可以使脈沖寬度和峰值功率不受重復率的影響。PulseTune技術能夠在重復率高達500kHz的條件下，確保峰值功率超過3kW。常規技術受到種子脈沖形狀與重復率相互依賴的影響，僅能在40kHz重復率以下提供相當的性能。這些性能差別能使加工產量相差十倍。 由于具有較高的參數控制能力和靈活性，除了最基本的打標應用，SPI公司的redEnergy脈沖激光器還在大量需要高附加值的領域取得了廣泛應用，例如在不銹鋼上進行彩色標刻、液晶顯示器微調以及存儲器修復等應用。這些大批量加工應用，需要對脈沖能量進行精確的可重復控制（見圖2）。 圖2. 脈沖光纖激光器能夠用于彩色標刻，例如通過對脈沖能量及重復率進行控制，可以在不銹鋼上形成色調（上圖）。在另一項應用中，人們使用重復率為250kHz的15W脈沖光纖激光器進行電阻器微調（下圖）。 連續波激光器的功率范圍 光纖激光器耐用的全光纖、全引導構架能夠實現瞬時輸出運轉，無需常規的調節及重新準直。有源光纖腔固有的大的表體比便于散熱，從而最大程度地降低對外部冷卻的需求。使用極低損耗、整體全光纖構架，可以獲得出色的光－光、電－光轉換效率和相對較高的總體效率。通過合適的設計，纖芯可以調節光束質量，并且光纖波導結構不存在熱透鏡效應，這些都使光纖激光器具備不隨功率變化的卓越的光束質量和超強的穩定性。 通常，光纖激光器采用極為耐用的電信級單發射體寬條多模泵浦二極管作為泵浦源，因此有望對它們以超過100kHz的頻率進行快速調制。 所有這些優點，使光纖激光器十分適合在連續波或準連續波 波運轉下放大到更高功率，來滿足微電子方面的應用需求。在這些應用中，光束質量、精度以及穩定性至關重要。在許多應用中，控制、改變激光加工能量和功率輸入，對加工過程起著決定性作用。例如：在薄金屬板和金屬管（印刷電路模版及動脈支架）的微切割過程中，激光功率調制對加工過程起主要作用。它可以減少諸如熱影響區（HAZ）等熱效應和殘渣，并且可以使切口寬度小于20祄。 由于采用了專有的GTWave技術，SPI公司的200W單模OEM激光系統具備優異的光學輸入/輸出響應（見圖3）。它的工作波長在1祄波段，輸出為單模，并且光－光轉換效率高于50%，最大輸出功率對應的均方根噪聲小于1%，因此適用于需要進行精確控制和極高重復率的工業應用。這類激光器（100W、150W、200W）能夠用于超精細切割、精細雕版、金屬粉末燒結（快速原型裝置制造）以及普通的切割與焊接領域。人們已經設計出系統構架、電子元件和控制算法，以提供連續波和連續波調制（CW-M）運轉模式。 圖3. SPI公司的200W單模OEM激光系統具備優異的光學輸入/輸出響應（上圖）。在脈沖重復率為70kHz、輸出功率為20～100W的工作條件下，該激光器的調制性能如下圖所示。峰值功率均方根噪聲1%～2%。在該工作范圍內，激光器的平均輸出功率約為5W，十分適合精密切割與雕刻應用。有源光纖本身是高增益、低背景損耗的介質，并且需要相對低Q值的腔以獲得最佳性能。低Q值腔以及較高的纖芯內信號強度，能使激光腔快速耗盡，使連續波調制運轉的頻率可提高到100kHz以上。 新興應用 除了強化甚至是取代很多要求極高的工業與醫學應用方案外，隨著在性能和靈活性方面的進步，光纖激光器的一些新興應用領域正在逐步涌現（見圖4）。 圖4. 光纖激光器在一些新的應用領域找到了用武之地，例如對硅晶片進行加工。使用該方法形成的邊緣斷裂相比于常規激光加工而言可以忽略（左圖）。輸出功率為200W的光纖激光器還可用于金屬燒結快速原型化部件的制造，例如通過燒結鈦2粉末制作的變形鏡底座（右圖）。 泵浦方案的選取，是利用全光纖激光器優點以及將其提高到更高功率水平的關鍵。即使是結合處、光纖錐以及泵浦注入耦合器處百分之幾的耦合損耗，都會導致局部若干瓦的熱耗散。末端泵浦以及V形槽邊泵浦等單點注入技術，會導致“熱點”出現以及產品過早損壞。對此，SPI公司推出了一項專利方案，使用包層覆蓋的一根有源光纖和一根泵浦光纖構成的復合光纖（GTWave），進行多端口多點泵浦注入。入射到泵浦光纖的泵浦光能量逐漸耦合到有源光纖，即在整個光纖長度內采取分布耦合的方式，從而避免了“熱點”的出現，并且便于輸出功率的提高。 除增加泵浦注入端口的數量外，GTWave信號光纖末端保持自由以進行連接，從而無需阻隔信號光路就可以對若干單元進行級聯。近期SPI公司的演示顯示，GTWave光纖激光單元的輸出功率超過450W。這一功率水平將進一步推動光纖激光器向工業應用領域滲透。 市場前景 人們已經制成了輸出功率超過1kW的單光纖、單模輸出光纖激光器。此外，對于預期的熱負載以及光纖的光學損傷閾值的考慮表明，光纖激光器的輸出功率有望提升到10kW，這將適用于高功率工業及航空應用。目前，一些研究小組正在研究功率合并以及功率提升到幾千瓦單光纖水平。然而要達到這一水平需要開發亮度更高的泵浦源和特制的有源光纖，以進行精確的模式控制，并抑制光學非線性。 通過使用不同的有源摻雜物（包括鉺、鉺－鐿、釹、銩）或者利用光學非線性（例如拉曼增益），光纖激光器還可以提供更多的輸出波長。 事實證明，光纖激光器具有出色的性能、輸出功率放大能力，以及更寬的輸出波長范圍。它們不僅對現有應用起到了增強作用，還將在工業領域找到新的用武之地。可以預見，光纖激光器的市場份額必將日益擴大。