光纖激光器應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，細(xì)分種類可滿足特殊需求

光纖激光器有多種分類方法，其中較為常見的是按工作方式分類、按波段范圍分類及按介質(zhì)摻雜稀土元素分類。激光器通常也是根據(jù)這三個分類中的一至兩個來命名的，例如 IPG的 YLM-QCW 系列即翻譯為準(zhǔn)連續(xù)摻鐿光纖激光器。光纖激光器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，不同細(xì)分的激光器特質(zhì)不同，適合的應(yīng)用領(lǐng)域各異。例如中紅外波段對于人眼來說是安全的，且在水中能夠被很強(qiáng)的吸收，是理想的醫(yī)用激光光源；摻鉺光纖由于其合適的波長可以打開光纖通信窗口，在光纖通信領(lǐng)域應(yīng)用較廣；綠光激光由于其可見性，在娛樂與投影等方面必不可少。

脈沖激光器峰值功率高，準(zhǔn)連續(xù)激光器加工速度快

光纖激光器按照工作方式可以分為鎖模光纖激光器、調(diào)Q光纖激光器、準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器及連續(xù)光纖激光器。實現(xiàn)脈沖光纖激光器的技術(shù)途徑主要有調(diào)Q技術(shù)、鎖模技術(shù)和種子源主振蕩功率放大(MOPA)技術(shù)。鎖模技術(shù)可以實現(xiàn)飛秒或皮秒量級的脈沖輸出，且脈沖的峰值功率較高，一般在百萬瓦量級，但是其輸出的脈沖平均功率較低；調(diào)Q光纖激光器可以獲得脈寬為納秒量級、峰值功率為千瓦量級、脈沖能量為百萬焦量級的脈沖激光。準(zhǔn)連續(xù)激光器的脈沖寬度為微秒級，而連續(xù)激光由泵浦源持續(xù)提供能量，長時間地產(chǎn)生激光輸出。

連續(xù)光纖激光器是高功率激光器的主要產(chǎn)品

連續(xù)激光器的激光輸出是連續(xù)的，廣泛運(yùn)用于激光切割、焊接和熔覆領(lǐng)域。激光泵浦源持續(xù)提供能量，長時間地產(chǎn)生激光輸出，從而得到連續(xù)激光。連續(xù)激光器中各能級的粒子數(shù)及腔內(nèi)輻射場均具有穩(wěn)定分布。其工作特點是工作物質(zhì)的激勵和相應(yīng)的激光輸出，可以在一段較長的時間范圍內(nèi)以連續(xù)方式持續(xù)進(jìn)行，以連續(xù)光源激勵的光纖激光器即為連續(xù)光纖激光器。相比其他類型激光器，連續(xù)光纖激光器能達(dá)到相對較高的功率，IPG已經(jīng)生產(chǎn)出單模2萬瓦的連續(xù)光纖激光器，較常用于激光切割、焊接和熔覆領(lǐng)域。

準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器可雙模式運(yùn)轉(zhuǎn)，顯著提升加工速度

準(zhǔn)連續(xù)激光器可以同時在連續(xù)和高峰值功率脈沖模式下工作。據(jù) IPG 官網(wǎng),傳統(tǒng)的連續(xù)（CW）激光的峰值和平均功率在 CW 和 CW/調(diào)制模式中總是相同的，而準(zhǔn)連續(xù)激光器在脈沖模式下的峰值功率要比平均功率高出10倍。因此，這樣能夠在從幾十赫茲到幾千赫茲的重復(fù)頻率下產(chǎn)生具有高能量的微秒和毫秒脈沖，并且可實現(xiàn)數(shù)千瓦的平均功率和峰值功率。

準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器將提供更高的電光轉(zhuǎn)換效率，并顯著提高加工速度及生產(chǎn)效率。準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器與其它激光系統(tǒng)相比可提供十倍的光電轉(zhuǎn)換效率增量，在被動式冷卻方案下能夠?qū)崿F(xiàn)大于30%的電光轉(zhuǎn)換效率。由于其較高的平均功率和脈沖重復(fù)頻率，其加工速度是大多數(shù)激光器的3-4倍。顯著降低的電力費用，沒有消耗品及零配件，低維護(hù)需求，沒有預(yù)熱時間要求，影響疊加將帶來成本優(yōu)化。

脈沖光纖激光器可壓縮能量，輸出高峰值功率

脈沖光纖激光器又分為調(diào)Q光纖激光器和鎖模光纖激光器。 

調(diào)Q技術(shù)就是要使激光能量壓縮在很短的時間間隔之內(nèi)，形成高峰值功率和窄脈寬的激光輸出。調(diào)Q的原理是在激光器內(nèi)加入一個損耗可調(diào)節(jié)器件，在大部分時間區(qū)域內(nèi)，激光器的損耗很大，幾乎無光輸出，在某一個較短的時間內(nèi)，減小器件的損耗，從而使激光器輸出一個強(qiáng)度較高的短脈沖。Q開關(guān)是調(diào)Q技術(shù)的核心器件，可以通過主動或者被動方式實現(xiàn)調(diào)Q光纖激光器。

調(diào)Q脈沖光纖激光器具有高峰值功率、高單脈沖能量、光斑直徑大小可選等特點，廣泛應(yīng)用于非金屬、具有高反特性的金、銀、銅、鋁及非高反材料不銹鋼等材料的打標(biāo)、精密加工、圖文標(biāo)記、深雕刻，薄片精密切割，鉆孔等領(lǐng)域。在打標(biāo)應(yīng)用方面，相比 CO2 激光器成本更低廉，性能更穩(wěn)定。

鎖模脈沖光纖激光器即通過主動鎖�；蛘弑粍渔i模方法來產(chǎn)生超短脈沖。受限于調(diào)制器的響應(yīng)時間，主動鎖模產(chǎn)生的脈寬較寬一般為皮秒量級；被動鎖模利用的是被動鎖模器件，響應(yīng)時間很短，可以產(chǎn)生飛秒量級的脈沖。鎖模的簡要原理是采取合適的措施，使諧振腔中相互獨立的縱模在相位上存在一定的關(guān)系，即使得相鄰縱模的位相差為一常數(shù)，則激光器將會輸出脈寬極窄、高峰值功率的脈沖。

鎖模脈沖激光器具有出色的光束質(zhì)量，超短脈寬和高脈沖能量等優(yōu)點，適用于各種材料的微加工工藝，包括金屬，玻璃，陶瓷，硅和塑料。在醫(yī)療領(lǐng)域，鎖模激光器也被用于激光手術(shù)刀或眼科手術(shù)之中，也有使用例如光化學(xué)效應(yīng)對于某些皮膚護(hù)理。由于具有短脈沖和高峰值功率的特點，鎖模激光器廣泛應(yīng)用于各種方法的成像，顯微鏡和光譜學(xué)中，還應(yīng)用于集成電子電路上的電光采樣測量及距離測量和頻率計量計時等領(lǐng)域。

近紅外光是主流，綠光和遠(yuǎn)紅外光各具特性

光纖激光器直接輸出的激光多為波長在960nm-2.05μm之間的近紅外光。激光器大類按照波長由短到長的順序涵蓋了從X射線到遠(yuǎn)紅外的各類激光器，波長從0.001納米到1000微米不等。其中光纖激光器直接輸出的激光主要在近紅外部分。但為了實現(xiàn)不同應(yīng)用需要，光纖激光器通過倍頻可以輸出可見光，主要應(yīng)用是綠光；通過在光纖中摻氟化物可以輸出中紅外光。

中紅外光纖激光器對人眼安全，是理想醫(yī)用激光光源

中紅外激光的波長主要在 23 微米到 3.9 微米左右，需要摻稀土離子的氟化物玻璃光纖介質(zhì)來激發(fā)。從下圖光纖激光器紅外躍遷產(chǎn)生的熒光光譜中可知，摻鈥離子（Ho3+）及摻鉺離子（Er3+）被在合適的介質(zhì)條件下被激發(fā)可以直接產(chǎn)生中紅外激光。氟化物玻璃光纖激光器在2.3～3.5μm波段具有較高的效率和輸出功率，而波長超過3.5μm，能夠滿足光纖傳輸和稀土離子躍遷輻射所需低聲子能量的材質(zhì)非常少。單摻 Ho3+氟化物光纖激光器在低溫下產(chǎn)生 3.9μm 波段激光，是目前直接輸出的最長波長。

中紅外激光器由于其波長特性可打開大氣窗口，在激光制導(dǎo)、定位和測量等方面應(yīng)用較廣。在軍事方面，激光的定向能量和穿過大氣傳輸窗口的遠(yuǎn)距離傳輸方面的應(yīng)用都需要很強(qiáng)的光束能量。在紅外導(dǎo)彈對抗當(dāng)中，中紅外激光器可以獲得3～5μm 波段的大氣傳輸窗口。數(shù)千瓦單模輸出的中紅外光纖激光器或?qū)⑦M(jìn)一步大量的應(yīng)用在反巡航導(dǎo)彈、火箭制導(dǎo)和無人機(jī)空域偵查等國防戰(zhàn)爭平臺中。

中紅外光纖激光器由于其方向性強(qiáng)及人眼安全的特性，已被廣泛運(yùn)用于醫(yī)療領(lǐng)域。中紅外激光的波段對于人眼來說是安全的，且在水中能夠被很強(qiáng)的吸收，由于激光方向性強(qiáng)的特點，在激光手術(shù)中可以達(dá)到組織穿透深度淺，對身體損傷的區(qū)域很小，從而使手術(shù)達(dá)到高的精度。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，中紅外激光在醫(yī)療應(yīng)用中主要是利用光熱效應(yīng)達(dá)到治療或消融病變組織，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于骨科、消化科及泌尿科等，成為理想的醫(yī)用激光光源，用于燒蝕和切割泌尿組織，汽化和切除衰竭的器官等。在富含脂質(zhì)、骨骼和含蛋白質(zhì)的組織切割過程中，使用中紅外激光器都會附帶較小的損傷。

綠光光纖激光器光譜亮度高，轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 84%

光纖激光器通過倍頻可獲得綠光輸出。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，因為其激活介質(zhì)并不直接釋放532納米的激光束，此類型的光纖激光器提供了較窄范圍的脈沖持續(xù)時間和高達(dá)600kHz 的重復(fù)頻率，高光譜亮度的激光源促成了高效的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)84%的轉(zhuǎn)換效率及大于20％的電光轉(zhuǎn)換效率，且具備升級到355和266納米下高功率的可行性。

綠光激光器在印刷、醫(yī)療、數(shù)據(jù)存儲、軍事、生物等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。如 IPG 的綠光光纖激光器可以運(yùn)用在粒子成像、測速/流量可視化、影像診斷及手術(shù)、光學(xué)捕獲/光學(xué)鑷子、太陽能電池制造、制造檢驗＆質(zhì)量控制、全息和干涉測量、娛樂與投影等領(lǐng)域。

摻鐿光纖是主導(dǎo)，摻鉺摻銩光纖工作波長各顯其能

光纖激光器主要采用摻雜稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)，不同稀土元素對應(yīng)相異的工作波長。摻雜光纖就是向光纖纖芯中摻入雜質(zhì)，如稀土元素離子，會導(dǎo)致光纖改性并顯現(xiàn)出激光效應(yīng)。其工作原理是泵浦光首先經(jīng)過耦合系統(tǒng)耦合進(jìn)入摻雜稀土離子的增益介質(zhì)，隨后摻雜纖芯中的稀土離子吸收泵浦光子能量發(fā)生能級躍遷。如元素鉺(Er3+)、鐠(Pr3+)、銩(Tm3+)、釹(Nd3+)和鐿(Yb3+)等稀土離子都可作為摻雜物制成光纖，隨后做成摻雜光纖放大器(XDFA)和光纖激光器(XDFL)，不同的稀土元素工作的波長范圍不同，但都處于近紅外范圍內(nèi).

摻鐿光纖激光器是激光器產(chǎn)業(yè)中的主導(dǎo)力量

摻鐿光纖激光器以其穩(wěn)定性高、光束質(zhì)量好、斜率效率高等優(yōu)勢得到較快發(fā)展。摻鐿光纖具有很多優(yōu)勢,利用摻鐿光纖研制的光纖激光器具有較高的斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率,可以在 1μm 波段得到高功率的激光輸出，因此受到廣泛關(guān)注并得到飛速發(fā)展，成為激光器產(chǎn)業(yè)中的主導(dǎo)力量，在工業(yè)加工、醫(yī)療和國防等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，銳科激光的大部分激光產(chǎn)品采用的都是摻鐿光纖。

摻鐿光纖激光器主要應(yīng)用于連續(xù)激光器及脈沖調(diào)Q激光器方面。由于鐿離子能級結(jié)構(gòu)簡單，粒子損耗較小使激光器在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)情況下有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的熱效應(yīng)，增益帶寬很大(975nm~1200nm)。同時，鐿離子的上能級壽命比較長，通常在1毫秒左右，這些因素都有利于調(diào)Q技術(shù)，因此在脈沖激光器方面已實現(xiàn)了超短脈沖輸出。在連續(xù)激光器方面，摻鐿光纖激光器輸出功率已達(dá)到萬瓦量級。

摻鉺光纖激光器是獨特的光纖通信窗口

摻鉺光纖激光器具有人眼安全波長及超高脈沖能量的特點。摻鉺光纖激光器可以實現(xiàn)單模運(yùn)行，具有極窄的線寬，良好的單色性和穩(wěn)定性。鉺離子具有較寬的增益帶寬，能加劇激光器腔內(nèi)多模振蕩，從而實現(xiàn)超短脈沖激光。因其對人眼安全等獨有的特點（“人眼安全”是指該波長為 1.5 μm 的激光器顯著低于人眼損傷闕值），在自由空間光通信、激光雷達(dá)、環(huán)境檢測、工件校準(zhǔn)以及工業(yè)加工領(lǐng)域有著廣泛的實際應(yīng)用。

摻鉺光纖由于其合適的波長，在光纖通信領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。由于摻鉺光纖在1550nm 波長具有很高的增益，它約 40nm 寬的增益光譜輪廓正對應(yīng)光纖通信低損耗的最佳窗口，具有潛在的應(yīng)用價值。

摻銩光纖激光器可改善含水材料的吸收特性

摻銩光纖激光器具有閾值低、效率高、光束質(zhì)量好等特點。摻銩光纖激光器是人眼安全波長領(lǐng)域光纖激光器的研究熱點，而且摻銩光纖激光器可以在 S 波段（150 - 75mm ）工作，對于開發(fā)潛在的通信資源頻率空間，提高光纖通信系統(tǒng)的容量起著十分重要的作用。調(diào) Q 開關(guān)和連續(xù)摻銩光纖激光器在過去的幾年里已經(jīng)發(fā)展到更高的平均功率，現(xiàn)在已經(jīng)有一定數(shù)量的供應(yīng)商能提供平均功率為 10W 的商用脈沖激光器。

摻銩光纖激光器被廣泛應(yīng)用于激光醫(yī)療、激光雷達(dá)、空間光遙感等領(lǐng)域。摻銩光纖激光器輸出的激光波長位于 2μm 左右。液態(tài)水的強(qiáng)吸收帶在約 1950nm，這足夠接近標(biāo)準(zhǔn)銩光纖激光器的波長，從而顯著提高吸收特性。水普遍存在于許多有機(jī)和無機(jī)化合物中，意味著大量材料改善了 2μm 光譜范圍的吸收特性，因此摻銩光纖激光器被認(rèn)為是應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、眼睛安全、超快光學(xué)、近距離遙感、生物學(xué)的比較理想的光源,具有很好的發(fā)展前景。同時在醫(yī)學(xué)的領(lǐng)域方面，摻銩光纖激光器也有很多方面的應(yīng)用,包括加速汽化、超精細(xì)的切割工藝、以及在醫(yī)學(xué)中的凝結(jié)止血。大功率的摻銩光纖激光器除了可以用于人眼的安全波長和激光雷達(dá)光源以外,還能夠當(dāng)做固態(tài)晶體激光器的泵浦源來使用,進(jìn)一步來實現(xiàn)波長更長紅外激光器的輸出。

光纖激光器性能優(yōu)勢突出，替代效果明顯

二氧化碳激光器光轉(zhuǎn)化效率低，使用成本高

二氧化碳激光器是一種分子激光，常用高功率連續(xù)激光器之一，主要物質(zhì)是二氧化碳分子。CO2激光器主要結(jié)構(gòu)包括激光管、光學(xué)諧振腔、電源及泵浦。主要特點是輸出功率大并可實現(xiàn)連續(xù)工作，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積大、維護(hù)較困難。

實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是二氧化碳激光器發(fā)光的關(guān)鍵。二氧化碳激光器中工作物質(zhì)包括二氧化碳、氮氣和氦氣，輸入直流電源后混合氣體中的氮分子會受到電子撞擊從而被激發(fā)，收到激發(fā)后的氮分子與二氧化碳分子碰撞時會將能量傳遞給二氧化碳分子，從而使得二氧化碳分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)出激光。

光纖與二氧化碳激光器各有所長，應(yīng)根據(jù)不同需求選取不同工具。從目前應(yīng)用最廣泛的切割加工技術(shù)來說，光纖激光器與CO2激光器在面對特定應(yīng)用需求時有其各自的優(yōu)勢與劣勢，并不能完全相互替代而需要互補(bǔ)共存。從加工材料類型來看，受限于吸收效果光纖激光器不適用于切割非金屬材料，而常規(guī)的CO2激光器不適用于切割銅材、鋁材等高反射率材料；從切割速度看，CO2 在厚度>6mm 板材有優(yōu)勢，而光纖激光器切割薄板速度較快；激光切割前需要進(jìn)行工件穿透，CO2穿孔速度明顯快于光纖激光器；從切割斷面質(zhì)量來看，CO2激光器整體優(yōu)于光纖激光器。

光纖激光器光轉(zhuǎn)化效率更高，使用成本較低。根據(jù)測算可得，光纖激光器的使用成本為 23.4 元/小時，二氧化碳激光器的使用成本為 39.1 元/小時，其中，光纖激光器電力成本為 7 元/小時，水冷成本為 8.4 元/小時，其他成本為 8 元/小時；二氧化碳激光器電力成本為 21 元/小時，水冷成本為 12.6 元/小時，其他成本為 5.5 元/小時。

YAG 激光器能量轉(zhuǎn)換效率低，或被逐漸替代

YAG 激光器一般指的是 Nd.YAG 激光器（摻銣釔鋁石榴石晶體），屬于固體激光。晶體內(nèi)銣原子含量為 0.6～1.1%，可產(chǎn)生脈沖激光或連續(xù)激光，發(fā)射光為波長 1.064μm 的紅外線。Nd.YAG 激光器常用氪氣或氙氣燈管作為泵浦燈，因為僅有少數(shù)特定波長泵浦光會被Nd 離子吸收，大部分能量會轉(zhuǎn)變成熱能，通常情況下 YAG 激光器能量轉(zhuǎn)換效率較低。

隨著光纖激光器的發(fā)展，YAG激光器或?qū)⒅饾u被替代。YAG激光器在工業(yè)中主要用于切割和焊接工藝，但隨著光纖激光器的發(fā)展，YAG激光器或逐漸被光纖激光器所替代。在切割領(lǐng)域中，YAG激光器購置成本低，能切割高反光材料，但加工功率低、能耗比大且切割速度較慢，而光纖激光器功率高效率快且免調(diào)節(jié)免維護(hù)；在焊接領(lǐng)域中，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器出現(xiàn)后開始快速替代脈沖Nd：YAG激光器。與 YAG 激光器相比，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器可以在微秒至毫秒的脈寬下提供數(shù)焦耳到數(shù)十焦耳的脈沖能量，其較高的平均功率和脈沖重復(fù)頻率顯著提高了加工速度以及生產(chǎn)效率，相當(dāng)于同時具備YAG激光器的鉆孔和焊接優(yōu)勢以及CO2激光器的切割能力，應(yīng)用范圍更廣泛。

半導(dǎo)體激光器現(xiàn)階段技術(shù)仍存局限

半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，采用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)。常用工作物質(zhì)有砷化鎵、硫化鎘等，激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種方式。半導(dǎo)體激光器主要優(yōu)點是體積小、效率高能耗低，廣泛用于激光通信、激光打醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域。此外，通常使用半導(dǎo)體激光器作為光纖激光器泵浦源。

以電注入式半導(dǎo)體激光器為例，半導(dǎo)體材料中通常會添加GaAS（砷化鎵）、InAS（砷化銦）、Insb（銻化銦）等材料制作成半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，當(dāng)對二極管注入足夠大的電流后，中間有源區(qū)中電子（帶負(fù)電）與空穴（帶正電）會自發(fā)復(fù)合并將多余的能量以光子的形式釋放，再經(jīng)過諧振腔篩選放大后形成激光。

直接半導(dǎo)體激光器特點明顯，下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。直接半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)費用低，電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)47%，在工業(yè)中主要應(yīng)用為焊接及熔覆。低功率半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用于塑料焊接以及錫焊，通過光纖輸出焊接，實現(xiàn)非接觸遠(yuǎn)距離操作，方便與自動化生產(chǎn)線集成；千瓦級直接半導(dǎo)體可用于熔覆及五金焊接，具有光斑大、電光轉(zhuǎn)換率高的特點。在工業(yè)外領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器也被廣泛用于軍事、信息及醫(yī)療和生命科學(xué)等方面。

半導(dǎo)體激光器具有加工應(yīng)用潛力，但受限于技術(shù)缺陷存在局限性。研究表明直接半導(dǎo)體激光器具有較強(qiáng)的材料加工應(yīng)用潛力，相比光纖激光器和二氧化碳激光器具有更好的切割速度和切割質(zhì)量。但半導(dǎo)體激光器最大的缺點在于其在高激光功率時光束質(zhì)量低下，目前工業(yè)半導(dǎo)體激光器局限于少數(shù)幾種加工，諸如電鍍、銅焊和越來越多的高功率焊接，因此在未來數(shù)年，半導(dǎo)體激光器不太可能使整個材料加工領(lǐng)域發(fā)生革命性變化或取代其它光源。

根據(jù)上文中的分析，我們認(rèn)為相比 CO2 激光器及 YAG 激光器，光纖激光器成本及應(yīng)用優(yōu)勢明顯，或?qū)�實現(xiàn)逐步替代。同時，半導(dǎo)體激光器仍受限于技術(shù)瓶頸，目前存在局限性，在未來數(shù)年不太能取代其他光源。因此，光纖激光器滲透率提升空間廣闊。

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