准连续波(QCW)激光器
虽然连续波光纤激光器拥有实现高能量脉冲的能力,但主要是通过使用**所需要的平均功率的方式或**长的脉冲持续时间完成,而这两种方式都存在缺陷。近来,连续波激光器的范围得到了拓展,开发出了具有更高峰值功率、更高脉冲能量的激光器,见表5。
这种激光器具备数焦耳脉冲能量、**长脉冲,以及能与更大直径的光纤耦合的能力,使得生产出的焊点直径可达0.5毫米。早期试验表明,这些低占空比焊点在任何方面都和闪光灯泵浦固体激光器相似。
光纤激光器的改进
光纤激光器迅速发展的原因可概括如下:
● 深入的科学研究可实现增加光纤的热负荷,而不产生任何热衰减或光致吸收效应和受激拉曼散射(SRS)的影响,而此前这些往往被看作是光纤激光器的限制因素,现在已经仅仅针对高平均功率激光器而言了。
● 作为泵浦源,单发射较泵浦二极管相比利用半导体二极管巴条和半导体二极管堆有更为值得信赖的优势。泵浦二极管的寿命通常大于10万小时,在整个激光加工系统使用寿命延续期间不需要更换。高强度的老化测试则进一步提高了可靠性。
● 增加二极管泵浦功率和提高泵浦的效率带来更高的平均功率。
● 由于其本身的性质,光纤在很大程度上是靠自我冷却,因此减少了热透镜效应,并简化了激光器设计。这些良性的热因素意味着,其冷却要求并不像其它由半导体二极管巴条和半导体二极管堆泵浦的激光器设计那般苛刻。
● 多种光纤直径可选和即插即用的光纤可得到各种类型的空间能量分布;小的单模高斯光纤用来切割、钻孔,直径较大的多模光纤用来焊接或表面处理。一台连续波单模光纤激光器配备一根比如说50微米直径的光纤,就可以很简单地从切割激光器变为焊接激光器,所需要做的只是简单地更换终端的聚焦光学元件。
● 已获得可传输高达25千瓦功率的光纤适配器。研发出的一些光纤激光功率光束开关,用于光纤到光纤的连接可多达6个通道,切换时间小于10毫秒。可为每个通道提供可见的红色对准光束。
● 更高速的电子元件、先进的接口、控制及网络软件都已被开发出来。
在微加工和打标领域中的发展
正如我们已经看到的,现在市面上有各种不同的脉冲光纤激光器,与先进的振镜扫描仪配合使用时,可用于许多加工中如切削、钻孔及熔覆。经证明,它能用在那些通常由高功率密度红外激光束完成的材料去除应用中,同时适用于激光微加工技术和打标,光纤激光器具有的更高亮度意味着材料去除过程可显著提高。这一事实加上精度不断提高的振镜扫描仪,意味着打标激光器如今也能执行一些以前认定为“精密微加工”的任务。虽然波长同亮度和可聚焦能力之间成正比,在某些情况下它已可实现以前只有通过532nm和355nm的激光才能得到的特征尺寸、准确度和精度。
MOPFA激光器
脉冲光纤激光器的*二大类别就是被称为MOPFA的种子半导体二极管主振荡器光纤功率放大激光器,它们与Q-开关光纤激光器的区别在于:脉冲上升时间可能会更快,脉冲持续时间可能更短,脉宽多样化,脉冲重复频率可高达数兆赫。
依据表3所示的参数组合,可大大提高峰值功率和功率密度的能力,从而处理打标和微加工的任务。脉冲宽度可降低到10纳秒以下,以实现更高的能量密度。在微加工工艺中,需要在有限的区域内精确地移除少量的材料,这种情况下就可以用这种类型的激光处理。市场需要新型高亮度短脉冲激光器,它具有优良的脉冲到脉冲的稳定性;但在开发出这种新型激光器之前,对于特定的微加工过程的一解决办法往往是:成本较高的二极管泵浦固体激光器,或效率很低的闪光灯泵浦固体激光器。
连续波(CW)激光器 - 调制型
二极管泵浦的脉冲上升时间是5s,因此较小的脉冲持续时间(或时间调制)大约是10s。
使用简单的控制技术可以在10%-100%占空比调节这些激光器,所以调制频率高达50 kHz是可以实现的。在微切削过程中,调制可以较大程度地减少部件的热输入。对占空比的大范围控制以及M2等于1.05——这两个因素的结合有可能实现小于20微米的切缝宽度,使用传统的光学元件即可。
光纤激光器奠定了它在工业激光大家族,尤其是在高功率数千瓦级产品中的地位,很显然,早前光纤激光器的相关限制现已被充分理解,这也促成了激光器更大范围的发展。光纤激光器一脉相承的可扩展性已经被用于将多模光纤激光器的输出功率放大至50千瓦以上,将单模光纤激光器的功率增大到10千瓦。