發布日期：2022-10-09 點擊率：117
近幾十年來，包層泵浦光纖激光器在激光行業大獲成功，且近期的報告顯示這種增長將繼續保持良好的趨勢。無論是用于打標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擴大了市場份額。近期報告還顯示，用于工業激光器最大市場金屬薄板切割的光纖激光器將很快超過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、光纖準直鏡等光纖激光器元件也在被廣泛使用。
準連續（QCW）光纖激光器
本文我們將介紹同樣正在市場迅速崛起的第三種光纖激光器。被稱為準連續（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。電光轉換效率高、可靠性好、免維護、穩定性強及更小的占地面積——這些光纖激光器相對于其他激光器的核心優勢已具有良好的證明，準連續光纖激光器同樣具備上述所有優勢。
自2011年榮獲國際光學工程學會頒發的Prism獎以來，準連續光纖激光器已經獲得產品系列的全面發展，某些型號具有高達20 kW的峰值功率。由于切割及鉆孔應用曾經在《激光微加工工藝在規模生產中的應用》中進行過討論，我們這里將討論準連續光纖激光器其他更多的應用。
研發準連續光纖激光器的初衷，是希望將光纖激光器的優勢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所示的有限熱導點焊。然而研究人員很快發現，這些高亮度能量源可以使用更小芯徑的傳輸光纖。實際上，準連續光纖激光器可連接單模光纖（芯徑小于15 μm），具有極為精細的切割及鉆孔性能。
圖1 典型的有限熱導點焊
許多光纖激光器（但不是全部）區別于其他激光工藝的特性在于單芯結二極管激光泵浦源。作為全球高功率光纖激光器的領導者，成功在很大程度上得益于這些單芯結二極管的穩定性和使用壽命。使用單芯結二極管泵浦而不是二極管巴條或陣列的一個顯著優勢在于可以在0–100%的占空比范圍內泵浦有源光纖，也就是說可以在0–100%的占空比范圍內調制連續激光器。這種調節范圍在QCW光纖激光器上同樣適用。
實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行自冷卻。由此解決了溫度波動及相關的熱效應問題，保證了極其穩定的光束輸出。
用小芯徑有源光纖輸出激光束的另外一個重要作用，就是在必要的時候，可以通過單模無源光纖（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。在許多材料加工應用中，專業技術人員可以通過接入芯徑較大的傳輸光纖，或是只是簡單地添加一個光耦等方式，從一臺激光器中獲得不同的光束直徑及光斑尺寸。
增加的多個泵浦二極管只需簡單的接入有源光纖。將這些二極管的占空比限定為10%大幅降低了對電源功率的需求，但當激光器處于脈沖模式時，就能產生10倍以上的瞬時（峰值）功率。某些型號甚至可以在幾毫秒的脈寬內產生高達60 J的脈沖能量。
激光“耦合”或破壞金屬表面反射率從而開始產生一次焊接的能力與激光脈沖的峰值功率密切相關。由于真正的QCW脈沖激光器擁有高一個數量級的峰值功率，這種耦合能力大大增強。這種特性使QCW激光器在低功率激光焊接應用中對傳統的燈泵浦激光器和連續激光器非常有競爭力。
由于準連續光纖激光器的研發初衷是點焊，因此需要注意的是， 150 W連續激光器需要67 ms產生10 J調制脈沖能量。光束峰值功率與連續輸出功率相同，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）會更低。
然而，能量需求最低的準連續激光器在用于圖1所示的有限熱導點焊時，能在頻率為15 Hz，脈寬為8 ms時生成峰值功率為1250 W的10J脈沖能量。很明顯，10 ms內在焊接部件上產生的間接熱影響要比67 ms所產生的間接熱影響小得多。
準連續光纖激光器的命名規則反映了增強的峰值功率，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，一臺型號為“150/1500”的激光器表示在一個脈沖周期內其平均功率為150 W，峰值功率為1500 W ，最大占空比為10%。如今，準連續激光器的平均功率最高已達到2 kW，峰值功率達到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用的高功率準連續光纖激光器
從本質上說，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激光器比，這種準連續光纖激光器更具性價比。新一代準連續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時峰值功率為1500 W，脈寬為15 ms時峰值功率為1000 W，脈寬為50 ms時峰值功率為300 W，脈寬越長，峰值功率越低。因此，對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，占空比也越高。
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