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解疑:光纤激光器的发展面临哪些挑战

浏览次数: 日期:2015-03-28

近来,光纤激光器以其长寿命、低复杂度、降低运行成本以及维护要求低等优势抢占市场,光纤激光器技术的功率量级得以极大提高,达到了成熟的、历史性的二氧化碳激光器技术的水平。

  光纤激光器包括一系列物理性拼接在一起的光纤构件,使激光束不离开光纤组成的光缆,直至激光束从聚焦于工件的光纤显现。当这种工程方法与使用单发射泵二极管相结合时,其结果是可获得最强大和持续时间最长的激光工具。单发射泵二极管的平均故障间隔时间(MTBF)寿命达到30万小时。虽然这是以可靠的统计数据为基础,但这些数值实在太高,有些激光器用户难以置信。或许,给予这些典型电信寿命时间数值的可信度缺乏,至少部分地是因为与采用二极管条或者二极管堆栈作泵有关的寿命时间问题。就在光纤激光器问世之前,许多以二极管条、特别是二极管堆栈作泵的固态(DPSS)激光器,其可靠性声誉相当差。

  光纤激光器技术面临着许多挑战:对背向反射的敏感性;随着时间推移,神秘光子暗化效应或者光纤退化;以及最近认知的,切割厚度大于15毫米的材料时,各种红外(IR)固态激光器(盘和光纤两者),与二氧化碳激光器之间的差异。虽然对于解决这些问题的完整解释超出了本文的范畴,但所有这些问题现在已经得到解决。

  直到最近,标准纳秒激光打标模块已能满足大多数一般激光打标应用要求。这些激光器的功率量级达到50瓦,具有同样的足迹,没有亮度衰减。要求高平均功率和高亮度的组合,维持表中所示高的消融效率。实际上,有此类相同激光器的衍生产品,可以提供高达500瓦的平均功率,脉冲能量达50兆焦耳。这种激光器最令人兴奋的新应用,包括高速清除一定范围的薄膜和涂层。

  另一项最近的发展被称为准连续波(QCW)光纤激光器。这是将光纤激光器带入闪光灯泵激光器技术最后堡垒之一的光纤激光器概念的另一项延伸:高脉冲能量,低占空比激光加工。在这种情况下,垂直整合和极具成本效益的泵二极管制造,对非线性阈值的理解以及精心的设计,已经能够造出60焦耳最大脉冲能量的可灵活调整系列的激光器。150瓦最低功率级的激光器,在与闪光灯泵激光器相同的10毫秒脉冲长度中,具有15焦耳和10赫兹的能力。

  发射光谱范围在1.5~2微米的铒和铥棒激光器已存在一段时间,但以前没有被用于材料加工。多年以来,已经将高亮度光纤激光器的各种改型用于各种医疗和航空应用场合。许多聚合物在这些波长上具有增加的吸收能力;只是在最近才确定,这种量级的吸收适用于焊接透明聚合物,从而消除了对特定红外吸收剂的需求。

  取得这些进步的惊人速度,证明了光纤激光器概念固有的可扩展性。光纤激光器专家充分认识到了所涉及的非线性阈值,能够加入更多的光纤和更多的泵二极管,实现至更强大功率的扩展。

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