光纖激光器將主動（激光增益）光纖與一個或多個泵浦激光器（通常是激光二極管）結(jié)合在一起。光纖激光器有許多類型，包括低功率連續(xù)（CW）激光器、低能量和高能量脈沖激光器，這其中又包括超快光纖激光器。但是提起光纖激光器，也許很多人想到只是千瓦級連續(xù)光纖激光器，這類光纖激光器主要用于材料加工，包括切割、焊接、釬接、表面處理及其他諸多應(yīng)用，并且光纖激光器正研究用于軍事領(lǐng)域作為定向能武器。
光纖本質(zhì)上是一種非常細(xì)的長棒，這種構(gòu)造使其成為兩種具有特別高的表面積與體積比的激光器中的一種（另一種是碟片激光器——寬的、極短的棒），這類激光器更容易保持冷卻。光纖激光器的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，易于維護(hù)；而且這類激光器體積緊湊，并且由于采用激光二極管泵浦，堅固且壽命長。
大范圍的功率和波長
IPG Photonics公司市場開發(fā)經(jīng)理Alexei Markevitch概述了千瓦級光纖激光器的波長和功率范圍。“IPG公司生產(chǎn)波長為1μm（摻鐿光纖）和1.5μm（摻鉺光纖）的標(biāo)準(zhǔn)千瓦級CW激光器，同時也生產(chǎn)波長為2μm（摻銩光纖）的定制千瓦級光纖激光器，以及通過拉曼頻移實(shí)現(xiàn)的波長在1.1~1.7μm之間的激光器。”他說道，“較長的波長使得非金屬材料加工和其他新應(yīng)用成為可能，并且被認(rèn)為是人眼安全的，因?yàn)檫@些波長處的人眼損傷閾值比在1μm波長處高出很多數(shù)量級。”
Markevitch指出千瓦級光纖激光系統(tǒng)工作在CW或高達(dá)5kHz的調(diào)制模式下，并具有從10%到全功率、且光束發(fā)散或光束輪廓無變化的動態(tài)范圍。
Markevitch介紹說，在1μm波段，IPG公司的單模YLS-SM摻鐿光纖激光器能提供1~10kW的功率范圍。這些單模系統(tǒng)用于那些需要極高功率和極高亮度的先進(jìn)材料加工應(yīng)用中，例如精細(xì)切割和表面結(jié)構(gòu)化、高反射率金屬的切割、微焊接、燒結(jié)和雕刻，以及遠(yuǎn)程加工和定向能應(yīng)用。
“IPG公司的多模YLS摻鐿CW光纖激光器，提供1~100kW的功率范圍，甚至可以根據(jù)客戶要求定制高達(dá)數(shù)百千瓦的激光器。”Markevitch表示，“它們具有許多用途，包括切割、鉆孔、釬接、焊接、退火、熱處理和熔覆。隨著設(shè)計的不斷完善，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)YLS系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了超過40%，業(yè)界記錄的YLS- ECO系列的電光轉(zhuǎn)換效率超過50%。”
相同的多模YLS激光器用于高、低亮度的應(yīng)用，例如焊接、鉆孔和精密切割——“這是一種前所未聞的能力。”Markevitch說道，“高亮度允許使用長焦加工透鏡，用于大大改進(jìn)場深，并將對光學(xué)元件的損傷降到最低。”
雖然高亮度多模激光器在材料加工應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但是單模千瓦級CW激光器正在贏得越來越多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兛梢允鼓切┬枰逤W峰值功率、極小光斑尺寸、和/或遠(yuǎn)程加工能力的新應(yīng)用成為可能。Markevitch所描述的YLS-SM激光器的一些應(yīng)用，包括用于篩選和過濾的不銹金屬的高速切割、陽極和陰極電池箔的遠(yuǎn)程切削、銅（Cu）和鋁（Al）箔的遠(yuǎn)程和氣體輔助高速切削，以及最小畸變薄金屬的大高寬比窄焊接。
Markevitch強(qiáng)調(diào)的千瓦級CW單模激光器應(yīng)用的一項(xiàng)特定案例，是在汽車工業(yè)中的鑄鐵和鋁發(fā)動機(jī)的微結(jié)構(gòu)加工。環(huán)境法規(guī)對更低能耗、以及減少污染和二氧化碳排放量的要求，需要更薄、更輕的發(fā)動機(jī)。一種具有減薄壁厚的馬達(dá)模塊的新型設(shè)計，輔以激光材料加工，使得每個氣缸可減少1公斤的重量。
為了獲得更高的機(jī)械阻力并優(yōu)化熱傳導(dǎo)，氣缸周圍噴有較薄的等離子體涂層（見圖1）。在實(shí)施熔覆加工之前，氣缸表面加工有微結(jié)構(gòu)槽，微結(jié)構(gòu)的典型特征尺寸為100μm或者更小。
圖1：采用IPG公司的2kW單模光纖激光器為汽車發(fā)動機(jī)加工的孔的圓筒形表面，然后采用等離子噴涂產(chǎn)生硬涂覆，取代傳統(tǒng)的氣缸套。激光加工微槽有助于涂覆粘附到氣缸上。
以往這種表面結(jié)構(gòu)化都采用機(jī)械或水射流加工。這些傳統(tǒng)技術(shù)有種種弊端。例如，機(jī)械加工效率較低，只能垂直于表面進(jìn)行，且處理不同零件和槽尺寸時需要更換工具。水射流具有非常高的功耗（每個噴嘴120kW），以及較大的耗水量（水受鋁污染），在鋁中產(chǎn)生海綿效應(yīng)，需要在真空腔內(nèi)干燥，并且只能在鋁零件上完成。
“額定功率為2kW的單模YLS-2000-SM激光器，可以加工鐵（Fe）和鋁（Al）零件，易于適應(yīng)處理不同直徑且具有不同深度（深達(dá)30μm）的槽的零件，最大功耗為5.5kW。”Markevitch解釋道，“還可以實(shí)現(xiàn)不同的凹槽角度。槽的質(zhì)量和生產(chǎn)率相比傳統(tǒng)技術(shù)均大大改善。”
模塊化設(shè)計
美國Lumentum公司激光器產(chǎn)品與技術(shù)高級主管Erik Zucker，描述了該公司的Corelight千瓦級CW光纖激光器產(chǎn)品線的模塊化特點(diǎn)和內(nèi)部運(yùn)作。“我們的基本構(gòu)建模塊是一個輸出功率超過2kW的雙包層光纖、單振蕩器模塊，”他解釋說，“可以將幾個這種模塊組合在一起，通過單光束提供明顯更高的功率。我們的光纖激光器主要用于2D金屬板切割，包括低碳鋼、不銹鋼、鋁、銅和黃銅等多種材料。它們也可以用于金屬焊接、釬焊和熔覆應(yīng)用。”
2kW光纖激光器模塊由單光纖振蕩器構(gòu)成；該單光纖振蕩器構(gòu)成通過Lumentum公司的ST系列高亮度、光纖耦合激光二極管陣列進(jìn)行端面泵浦，Zucker表示該泵浦激光器也是由他們公司自己設(shè)計和制造的（見圖2）。
圖2：6kW的Lumentum光纖激光器包含三個2kW的模塊和一個光纖合束器模塊（a）。該光纖激光器由該公司的ST系列高亮度光纖耦合激光二極管泵浦（b）。
“每個泵浦源從106μm芯徑的光纖中產(chǎn)生140W的輸出功率，電光轉(zhuǎn)換效率高于50%。”他解釋說，“多根泵浦光纖與單根光纖熔接在一起，再熔接到振蕩器的一端。光纖布拉格光柵確定了腔和輸出耦合器。由于2kW的功率是從單個模塊產(chǎn)生的，光束參數(shù)乘積（BPP）很小，通常為0.8mm-mrad。這允許將大景深的小光斑直徑聚焦到金屬切削應(yīng)用的工件表面，反過來又產(chǎn)生了非常高的強(qiáng)度，形成極其有效的切割。”
Zucker指出，采用Lumentum公司光纖激光器的2kW輸出，可對25mm厚的低碳鋼進(jìn)行切割，而4kW的CO2激光器只能切割厚度最大為22mm的鋼材。小的BPP帶來快速切割：例如，4kW的功率能夠以75m/min的速率切割1mm厚的鋁；而6kW的功率能以94m/min的速率切割1mm厚的鋁。
日本Amada公司是Lumentum公司的一家研發(fā)伙伴和客戶，該公司將2kW激光器整合到其切割工具中。2kW激光器的小BPP，使部件能具備一種被稱作ENSIS的性能，允許對工件上的光斑尺寸進(jìn)行動態(tài)電調(diào)節(jié)。對于自動切割工作，Zucker介紹說，ENSIS可以無需操作員干預(yù)，從薄到厚金屬切削進(jìn)行調(diào)整，提高加工車間的生產(chǎn)率。
將光輻照到工件
德國羅芬公司生產(chǎn)輸出功率500~8000W之間的CW高功率光纖激光器（FL系列），提供多種方案將激光器輸出光輻照到工件上。該公司的激光器可以配備直接熔接光纖獲得單模或多模光束質(zhì)量；或者配備光纖至光纖耦合器或光纖至光纖開關(guān)，獲得多模光束質(zhì)量，這種方案允許用戶插入多達(dá)四根光纖，用于串行或并行光束應(yīng)用，羅芬公司的激光光源產(chǎn)品經(jīng)理Wolfram Rath介紹說。
帶熔接光纖的型號更加緊湊，為單機(jī)柜；而帶光開關(guān)的型號具有獨(dú)立的附件，實(shí)現(xiàn)光束管理。該激光器用于切割、焊接和表面處理，以及各種由集成掃描頭加工支持的、基于掃描頭的應(yīng)用。
Rath介紹說，F(xiàn)L系列光纖激光器使用大模場面積雙包層光纖作為增益介質(zhì)。“包括主動單模纖芯和大直徑包層，光束在其中傳播，”他指出，“長壽命泵浦模塊出射的泵浦光，通過泵浦耦合器從兩側(cè)送入包層。它們?yōu)楸粍永鋮s，容忍獨(dú)立的單個故障，需要時可以在現(xiàn)場進(jìn)行更換。諧振腔鏡通過刻寫光纖布拉格光柵（FBG）形成。”
單個光纖激光器模塊的激光輸出功率達(dá)到2.4kW，額定功率為2kW。通過全光纖功率合束器，可以組合多達(dá)四個光纖激光器單元，獲得8kW的總額定功率，這可以通過多達(dá)四根100μm芯徑的加工光纖傳輸至加工單元。
圖3：羅芬公司基于掃描頭的光纖激光器正在進(jìn)行汽車零部件焊接。
Rath表示，這些高功率光纖激光器是宏觀應(yīng)用分支中金屬激光切割和焊接的標(biāo)準(zhǔn)工具（見圖3）。標(biāo)準(zhǔn)的切割系統(tǒng)通常配備緊湊的光纖激光器，根據(jù)切割系統(tǒng)的功率和板材厚度，配備芯徑為50μm或100μm的直接加工光纖。“汽車部件焊接在幾個工作站內(nèi)頻繁實(shí)現(xiàn)，幾個工作站通過不同的、可長達(dá)100m的光纜與激光器相連接。” Rath解釋道，“這樣的設(shè)置有助于減少周期時間，優(yōu)化激光的利用。例如，當(dāng)激光器在B工作站處焊接第二個工件時，A工作站內(nèi)可以裝配并夾持零件。”
由于通過選擇光纖尺寸可以使光纖激光器與應(yīng)用相匹配，因此相同的激光器可以用于不同的操作。例如，制造一種汽車零件采用三種不同的激光加工方法在三個工作單元內(nèi)順序執(zhí)行：去除涂層（采用高光束質(zhì)量和集成掃描頭加工實(shí)現(xiàn)）、切割孔徑以獲得完美匹配，以及焊接工序。
背反射隔離
在高度反射的材料上進(jìn)行操作的千瓦級工業(yè)光纖激光器，面臨背反射的問題。從工件上激光光學(xué)元件聚焦區(qū)域反射的光，通過激光系統(tǒng)后向傳輸。“由于工件表面的不規(guī)整性，缺乏與表面法線的精確對準(zhǔn)，以及加工元件有限的收集角，典型的背反射僅為激光功率的一小部分；此外，在許多情況下，背反射的持續(xù)時間短（例如穿孔）。”美國nLIGHT公司總經(jīng)理Jake Bell說，“然而，一些光纖激光器的設(shè)計使得加工反射材料變得困難或者不可能。”
nLIGHT公司生產(chǎn)一系列材料加工光纖激光器，輸出功率范圍500W~4kW。在其他特性中，nLIGHT公司的alta系列具有獨(dú)特的配置,以最小化背反射。“背反射所造成的損傷通常是由于光學(xué)功率沉積到聚合物材料中，由于過熱而燒壞的結(jié)果。”Bell說，“nLIGHT公司的alta將耦合進(jìn)傳輸光纖中的背反射光剝離，并將其引導(dǎo)到水冷光束收集器，在該處激光被轉(zhuǎn)換成熱而不與聚合物有任何相互作用，從而消除了主要損傷機(jī)理。該無聚合物隔離器設(shè)計成可持續(xù)收集超過500W的光（見圖4）。”
圖4：nLIGHT alta設(shè)計成在激光器和傳輸光纖之間具有背反射隔離器（a）。
Bell表示：“我們評估了穿孔時隔離系統(tǒng)的性能，在這種激光切割下產(chǎn)生最高的背反射信號。該測試成功處理了銅的連續(xù)4000次穿孔，沒有中斷或故障的穿孔。與由我們的背反射隔離器提供的可靠的、基于硬件的保護(hù)相反，一些其他的光纖激光器利用軟件保護(hù)在背反射的情況下禁止激光；這種方法可能保護(hù)激光器，但它妨礙成功和連續(xù)的材料處理。”
Bell指出，收集在隔離器中的背反射光，用光電二極管監(jiān)測。該傳感器的實(shí)時輸出提供給用戶，用于在過程監(jiān)控、優(yōu)化和控制（例如穿孔檢測）中使用，或者是工具校準(zhǔn)（如光束位置和焦點(diǎn)）。
Bell概括的nLIGHT alta激光器的其他特質(zhì)包括改進(jìn)的切割和焊接性能，這些激光器可以提供高達(dá)100kHz的調(diào)制率，以及低于5μs的上升和下降時間。這些功能允許更快的穿孔，精細(xì)特征更快的處理速度，并通過最小的熱影響區(qū)實(shí)現(xiàn)更好的加工質(zhì)量。
“大多數(shù)數(shù)千瓦級光纖激光器系統(tǒng)采用對基于多個低功率光纖激光器的輸出合束的架構(gòu)，導(dǎo)致成本、性能、可維護(hù)性、可升級性以及對技術(shù)進(jìn)步的順應(yīng)性方面的顯著缺點(diǎn)。”Bell補(bǔ)充道，“我們介紹一種新穎的千瓦光纖激光器架構(gòu)，通過將泵浦二極管和驅(qū)動器安放在單獨(dú)的泵浦模塊中，以及將增益光纖安放在可配置的增益模塊中，解決了這些問題，可以產(chǎn)生超過4kW的輸出功率。”
這些激光器具有可調(diào)整的光束質(zhì)量（BPP≥1.1mm-mrad），已經(jīng)應(yīng)用于低碳鋼、硼鋼、不銹鋼、鋁、黃銅和銅的高質(zhì)量切割和焊接，并且也已經(jīng)在新興的應(yīng)用，包括增材制造、表面紋理化和雕刻中得以使用。
快速組件更換或升級
根據(jù)美國相干公司材料加工市場總監(jiān)Frank Gaebler的描述，第一代光纖激光器直接基于電信平臺大規(guī)模擴(kuò)展到更高功率，它們采用大量的單獨(dú)泵浦激光二極管，每個都采用獨(dú)立光纖耦合，并永久熔接在一起。
“這種獲得更高功率的方法有幾個限制。”他說，“特別是所有部件被永久熔接在一起。如果一個組件出現(xiàn)故障或退化，就沒有辦法進(jìn)行更換。例如，早期的產(chǎn)品對來自于金屬加工的背反射非常敏感。如果光纖熔接、泵浦二極管、傳輸光纖，或任何其它激光器組件由于這種背反射損壞，必須將激光器拿到工廠修理或更換，這將影響正常運(yùn)行時間和生產(chǎn)效率。
相干公司制造了基于靈活的模塊化架構(gòu)的第二代千瓦級光纖平臺（Highlight FL）（見圖5）。相干公司的工程師們使用實(shí)質(zhì)上不同的設(shè)計方法，消除了多個泵浦和熔接的復(fù)雜性，具備模塊化架構(gòu)，還允許簡單替換和/或升級各種組件，包括傳輸光纖。
圖5：相干公司Highlight FL光纖激光器可以結(jié)合機(jī)器人使用，使白色家電（洗衣機(jī)、廚灶等）行業(yè)的高速3D零件切削成為可能。
“我們使用光纖耦合高功率激光二極管巴條，而不是多個獨(dú)立的激光二極管，” Gaebler說，“然后它們的輸出采用自由空間耦合進(jìn)入增益光纖；這種耦合模塊也可用于將增益光纖連接到可拆卸的傳輸光纖。”他補(bǔ)充說，這樣的做法對OEM系統(tǒng)集成商特別具有吸引力，因?yàn)樗麄兛梢愿鶕?jù)專業(yè)知識水平或者深度集成的要求，購買完整的激光器或單獨(dú)的模塊，并且可以迅速改變或更換傳輸光纖以適應(yīng)不同的應(yīng)用。
在規(guī)格方面，目前相干公司的Highlight FL光纖激光器瞄準(zhǔn)大功率的穩(wěn)定增長，Gaebler介紹說，最新型號可提供3kW的功率，并有望在2016年增加到4kW。“目前，我們的傳輸光纖模塊提供100μm纖芯，其對應(yīng)的BPP約為4mm·mrad。”他說，“對于某些型號，最近已可以提供50μm纖芯的傳輸光纖，BPP可以降低高達(dá)兩倍。由于具有高功率和低BPP，這些HighLight FL激光器非常適合用于處理厚度從薄箔到幾毫米的金屬。”
Gaebler指出，早期的光纖激光器有時受困于切割、鉆孔和焊接某些金屬。例如，光纖激光器的基頻輸出波長通常在1μm附近。在該波長區(qū)域，黃銅和銅表現(xiàn)出非常高的反射率，銅鏡廣泛用于各類近紅外激光器的光束傳輸就是證明。背向反射已經(jīng)使這些金屬成為第一代光纖激光器加工的顯著挑戰(zhàn)。
圖6：不受背向反射的影響，使得某些高反射金屬材料的切割成為可能。橫截面視圖顯示了用相干的Highlight FL激光器切割1.25mm厚的黃銅（a）和1.2mm的銅（b）。
根據(jù)Gaebler的描述，不同于第一代光纖激光器，Highlight FL激光器架構(gòu)不受背向反射損傷的影響有兩大原因：1）二向色光束合束器的幾何形狀和光學(xué)性質(zhì)，意味著任何背向反射不能到達(dá)泵浦二極管巴條；2）不存在光纖熔接，從而不會被任何背向反射損傷。其結(jié)果是該激光器不受“對反射性金屬需格外小心加工”這一因素的限制（見圖6）。
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