光纖激光器本質(zhì)上有別于其它類(lèi)型的激光器；在光纖激光器中，產(chǎn)生激光的激活介質(zhì)實(shí)際上散布在光纖自身內(nèi)部。這一特點(diǎn)將其與通過(guò)光纖傳導(dǎo)的激光器區(qū)別開(kāi)來(lái)，后者只是簡(jiǎn)單地將光束從激光諧振腔通過(guò)光纖傳輸到導(dǎo)光元件上。光纖激光器是目前為止公認(rèn)的在所有激光器當(dāng)中具有最佳聚焦性能的激光器類(lèi)型。 

光纖激光器奠定了它在工業(yè)激光大家族，尤其是在高功率數(shù)千瓦級(jí)產(chǎn)品中的地位，很顯然，早前光纖激光器的相關(guān)限制現(xiàn)已被充分理解，這也促成了激光器更大范圍的發(fā)展。光纖激光器一脈相承的可擴(kuò)展性已經(jīng)被用于將多模光纖激光器的輸出功率放大至50千瓦以上，將單模光纖激光器的功率增大到10千瓦。 

圖1、Q-開(kāi)關(guān)光纖激光器模塊

脈沖光纖激光器

脈沖納秒激光器是最早一種被開(kāi)發(fā)出來(lái)的類(lèi)型，它們?cè)谏虡I(yè)市場(chǎng)上的成功取代了很大一部分打標(biāo)用的激光器。這種激光器的平均功率現(xiàn)在已經(jīng)被擴(kuò)展到高達(dá)500瓦。另一方面，對(duì)這種光纖激光技術(shù)的深入研究導(dǎo)致了光纖激光器能生成數(shù)納秒的更窄的脈沖寬度、更高的亮度，以及高達(dá)數(shù)兆赫的重復(fù)頻率。保偏光纖激光器現(xiàn)在也被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于高效變頻至532納米。近來(lái)，具有更長(zhǎng)脈沖寬度的毫秒級(jí)準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）激光器也被開(kāi)發(fā)出來(lái)�；�于對(duì)光纖激光器的深入研究發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是幾乎可應(yīng)用于宏觀和微觀工業(yè)激光加工的全部范圍。 

圖2、平均功率為500瓦的納秒激光器

納秒脈沖光纖激光器

通用型的激光打標(biāo)機(jī)和振鏡掃描系統(tǒng)不斷革新，這兩者之間的功能也在互相融合，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了應(yīng)用能力。單脈沖能量達(dá)1mJ的Q-開(kāi)關(guān)光纖激光器可以在很多不同的材質(zhì)上打標(biāo)，包括從陶瓷到金屬合金以及低熔點(diǎn)聚合物。平均功率增高至50瓦，在脈沖頻率為50kHz時(shí)，單脈沖能量為1mJ，M2保持在1.6而未劣化，這些性能在雕刻應(yīng)用中能快速去除金屬材料。新型的打標(biāo)激光器具有小于3s的極短脈沖關(guān)斷時(shí)間，這在某些敏感材料的打標(biāo)應(yīng)用中改善了加工效果。重復(fù)頻率增加后達(dá)到200kHz，而脈沖周期降低到5s。有人認(rèn)為，在這樣高的重復(fù)頻率下，接近脈沖區(qū)間的等離子體會(huì)導(dǎo)致光束對(duì)目標(biāo)的非連續(xù)加工。其中一個(gè)重要的例子就是被打標(biāo)的不銹鋼材料上會(huì)產(chǎn)生氧化層，這在肉眼下是可見(jiàn)的；并且，即使之后經(jīng)過(guò)反復(fù)的高溫高壓處理，氧化層也無(wú)法除去。如果被打標(biāo)的對(duì)象是容易出現(xiàn)問(wèn)題的高反射材料，那么可通過(guò)遠(yuǎn)程光纖放大器（RA）將峰值功率加倍至20千瓦來(lái)解決。 

高平均功率的Q-開(kāi)關(guān)光纖激光器

圖3、高功率脈沖激光器，亮度和脈沖能量的關(guān)系圖。

進(jìn)一步的研發(fā)已使緊湊型500瓦平均功率的系統(tǒng)可提供低于100納秒的脈沖寬度。該范圍的激光器都有一個(gè)三級(jí)MOPA配置的全光纖形式。光纖尾纖連接聲光調(diào)制器（AOM）被用來(lái)控制脈沖寬度，范圍從30至2000納秒不等，在此范圍內(nèi)的峰值輸出最高達(dá)1兆瓦。輸出光隔的形式是“光纖到空氣”或“光纖到加工光纖。” 

        高脈沖能量——高達(dá)50mJ，小于100納秒的脈沖，可在工件上達(dá)到很高的峰值功率，雖然在脈沖能量增加的時(shí)候必須做出一些妥協(xié)（見(jiàn)圖3）。這些激光器通過(guò)一種聲波或熱震機(jī)制，可有效地去除各種不同類(lèi)型的表面膜層，這樣就能最大限度地減少對(duì)部件的熱輸入。方形光纖現(xiàn)在也被運(yùn)用到這種激光器中，可以大大提高一些應(yīng)用中的加工效率（見(jiàn)圖4和5）。 

MOPFA激光器 

脈沖光纖激光器的第二大類(lèi)別就是被稱(chēng)為MOPFA的種子半導(dǎo)體二極管主振蕩器光纖功率放大激光器，它們與Q-開(kāi)關(guān)光纖激光器的區(qū)別在于：脈沖上升時(shí)間可能會(huì)更快，脈沖持續(xù)時(shí)間可能更短，脈寬多樣化，脈沖重復(fù)頻率可高達(dá)數(shù)兆赫。 

依據(jù)表3所示的參數(shù)組合，可大大提高峰值功率和功率密度的能力，從而處理打標(biāo)和微加工的任務(wù)。脈沖寬度可降低到10納秒以下，以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。在微加工工藝中，需要在有限的區(qū)域內(nèi)精確地移除少量的材料，這種情況下就可以用這種類(lèi)型的激光處理。市場(chǎng)需要新型高亮度短脈沖激光器，它具有優(yōu)良的脈沖到脈沖的穩(wěn)定性；但在開(kāi)發(fā)出這種新型激光器之前，對(duì)于特定的微加工過(guò)程的唯一解決辦法往往是：成本較高的二極管泵浦固體激光器，或效率很低的閃光燈泵浦固體激光器。

倍頻綠光光纖激光器 

雖然不是嚴(yán)格意義上的綠光光纖激光器（原因是其激活介質(zhì)并不直接釋放532納米的激光束），此類(lèi)型的光纖激光器有一些獨(dú)特的功能。激光源提供了較窄范圍的脈沖持續(xù)時(shí)間和高達(dá)600 kHz的重復(fù)頻率。單向二次諧波發(fā)生器使用了20毫米的LBO晶體。一個(gè)高速數(shù)字伺服回路采用了活性壓電式鏡面。高光譜亮度的激光源促成了高效的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)84%的轉(zhuǎn)換效率及大于20％的電光轉(zhuǎn)換效率，且具備升級(jí)到355和266納米下高功率的可行性。 

連續(xù)波（CW）激光器 - 調(diào)制型 

二極管泵浦的脈沖上升時(shí)間是5s，因此最小的脈沖持續(xù)時(shí)間（或時(shí)間調(diào)制）大約是10s。 

使用簡(jiǎn)單的控制技術(shù)可以在10％-100％占空比調(diào)節(jié)這些激光器，所以調(diào)制頻率高達(dá)50 kHz是可以實(shí)現(xiàn)的。在微切削過(guò)程中，調(diào)制可以最大程度地減少部件的熱輸入。對(duì)占空比的大范圍控制以及M2等于1.05——這兩個(gè)因素的結(jié)合有可能實(shí)現(xiàn)小于20微米的切縫寬度，使用傳統(tǒng)的光學(xué)元件即可。 

準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）激光器

雖然連續(xù)波光纖激光器擁有實(shí)現(xiàn)高能量脈沖的能力，但主要是通過(guò)使用高于所需要的平均功率的方式或超長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間完成，而這兩種方式都存在缺陷。近來(lái)，連續(xù)波激光器的范圍得到了拓展，開(kāi)發(fā)出了具有更高峰值功率、更高脈沖能量的激光器，見(jiàn)表5。 

這種激光器具備數(shù)焦耳脈沖能量、超長(zhǎng)脈沖，以及能與更大直徑的光纖耦合的能力，使得生產(chǎn)出的焊點(diǎn)直徑可達(dá)0.5毫米。早期試驗(yàn)表明，這些低占空比焊點(diǎn)在任何方面都和閃光燈泵浦固體激光器相似。 

光纖激光器的改進(jìn) 

光纖激光器迅速發(fā)展的原因可概括如下： 

● 深入的科學(xué)研究可實(shí)現(xiàn)增加光纖的熱負(fù)荷，而不產(chǎn)生任何熱衰減或光致吸收效應(yīng)和受激拉曼散射（SRS）的影響，而此前這些往往被看作是光纖激光器的限制因素，現(xiàn)在已經(jīng)僅僅針對(duì)高平均功率激光器而言了。 

 ● 作為泵浦源，單發(fā)射極泵浦二極管相比利用半導(dǎo)體二極管巴條和半導(dǎo)體二極管堆有更為值得信賴(lài)的優(yōu)勢(shì)。泵浦二極管的壽命通常大于10萬(wàn)小時(shí)，在整個(gè)激光加工系統(tǒng)使用壽命延續(xù)期間不需要更換。高強(qiáng)度的老化測(cè)試則進(jìn)一步提高了可靠性。 

● 增加二極管泵浦功率和提高泵浦的效率帶來(lái)更高的平均功率。 

● 由于其本身的性質(zhì)，光纖在很大程度上是靠自我冷卻，因此減少了熱透鏡效應(yīng)，并簡(jiǎn)化了激光器設(shè)計(jì)。這些良性的熱因素意味著，其冷卻要求并不像其它由半導(dǎo)體二極管巴條和半導(dǎo)體二極管堆泵浦的激光器設(shè)計(jì)那般苛刻。 

● 多種光纖直徑可選和即插即用的光纖可得到各種類(lèi)型的空間能量分布；小的單模高斯光纖用來(lái)切割、鉆孔，直徑較大的多模光纖用來(lái)焊接或表面處理。一臺(tái)連續(xù)波單模光纖激光器配備一根比如說(shuō)50微米直徑的光纖，就可以很簡(jiǎn)單地從切割激光器變?yōu)楹附蛹す馄�，所需要做的只是�?jiǎn)單地更換終端的聚焦光學(xué)元件。 

● 已獲得可傳輸高達(dá)25千瓦功率的光纖適配器。研發(fā)出的一些光纖激光功率光束開(kāi)關(guān)，用于光纖到光纖的連接可多達(dá)6個(gè)通道，切換時(shí)間小于10毫秒�？蔀槊總�(gè)通道提供可見(jiàn)的紅色對(duì)準(zhǔn)光束。 

 ● 更高速的電子元件、先進(jìn)的接口、控制及網(wǎng)絡(luò)軟件都已被開(kāi)發(fā)出來(lái)。 

在微加工和打標(biāo)領(lǐng)域中的發(fā)展 

正如我們已經(jīng)看到的，現(xiàn)在市面上有各種不同的脈沖光纖激光器，與先進(jìn)的振鏡掃描儀配合使用時(shí)，可用于許多加工中如切削、鉆孔及熔覆。經(jīng)證明，它能用在那些通常由高功率密度紅外激光束完成的材料去除應(yīng)用中，同時(shí)適用于激光微加工技術(shù)和打標(biāo)，光纖激光器具有的更高亮度意味著材料去除過(guò)程可顯著提高。這一事實(shí)加上精度不斷提高的振鏡掃描儀，意味著打標(biāo)激光器如今也能執(zhí)行一些以前認(rèn)定為“精密微加工”的任務(wù)。雖然波長(zhǎng)同亮度和可聚焦能力之間成正比，在某些情況下它已可實(shí)現(xiàn)以前只有通過(guò)532nm和355nm的激光才能得到的特征尺寸、準(zhǔn)確度和精度。 

光纖激光點(diǎn)焊

如我們所知，在低到中等的占空比范圍調(diào)制單發(fā)射極泵浦二極管遠(yuǎn)比調(diào)制半導(dǎo)體二極管條或半導(dǎo)體二極管堆來(lái)得簡(jiǎn)單。近來(lái)，由于特制泵浦半導(dǎo)體二極管的最新發(fā)展以及增強(qiáng)的脈沖能力，已開(kāi)發(fā)出高亮度光纖激光器，它能產(chǎn)生出非常接近傳統(tǒng)的閃光燈泵浦激光器所發(fā)出的脈沖，如表5所示。將這個(gè)特性結(jié)合能與不同直徑的光纖匹配的特性，使此種激光器能進(jìn)行低熱輸入、低占空比、與傳統(tǒng)的閃光燈泵浦激光器效果相同的點(diǎn)焊，但其具備了光纖激光器眾所周知的所有優(yōu)點(diǎn)，比如更小的占地面積，更少的維護(hù)及10倍的電光效率。由于泵浦源的靈活性，很容易實(shí)現(xiàn)用于醫(yī)療設(shè)備焊接應(yīng)用中的脈沖波形調(diào)整，且沒(méi)有使用傳統(tǒng)閃光燈類(lèi)型帶來(lái)的限制。 

采用高平均功率光纖激光器加工 

雖然10千瓦單模激光器已經(jīng)制造出來(lái)，但這種高平均功率和高亮度的結(jié)合顯然超過(guò)了當(dāng)前材料加工的需求。在傳統(tǒng)的氣體輔助的激光切割中，需要提供輔助氣體至切割的最前端，因此存在著一種限制：能夠?qū)崿F(xiàn)的高寬比只在一定范圍之內(nèi)。 

光纖激光器是目前廣泛認(rèn)為亮度最高和紅外激光束聚焦性最高的激光源，加上其它一些廣為人知的光纖激光器的優(yōu)勢(shì)，令其在鈑金切割應(yīng)用中贏得快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)份額，在歐洲地區(qū)尤為明顯。現(xiàn)在人們普遍接受并認(rèn)同，對(duì)于切割厚度低于8毫米的金屬材料，與CO2激光器相比，在獲得相同切割質(zhì)量的情況下，相同的功率能獲得更高的切割速度，相同的切割速度只需要更小的功率�？茖W(xué)文獻(xiàn)中有一些建議指出，這些不同波長(zhǎng)的激光在切割大于10毫米厚的鋼板過(guò)程時(shí)的表現(xiàn)存在著本質(zhì)上的差異，顯然這些說(shuō)法的真實(shí)性還有待調(diào)查，但歐洲的光纖激光設(shè)備集成商已經(jīng)開(kāi)始針對(duì)厚板的切割質(zhì)量做實(shí)質(zhì)性改善。 

本文作者Tony Hoult博士來(lái)自位于美國(guó)加州Santa Clara的IPG Photonics公司。