在一個(gè)平均功率足夠高且每瓦成本控制在1美元，由此立即吸引到客戶并將其用于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的激光器中，通常難以存在兩種不同的激光波長(zhǎng)，但是摻銩(Tm)光纖激光器恰恰能做到這一點(diǎn)。這種100W級(jí)別的激光器最初是開(kāi)發(fā)應(yīng)用于外科手術(shù)中的，但現(xiàn)在卻在許多意想不到的其他應(yīng)用領(lǐng)域有著獨(dú)特的功能，本文將介紹這些功能。

　　迄今為止的光纖激光器

　　幾乎與所有的光纖激光器一樣，高功率千瓦級(jí)光纖激光器使用鐿作為活性介質(zhì)。這種激光器最重要的特性是通過(guò)將這種活性介質(zhì)泵入光纖自身來(lái)產(chǎn)生光束。整個(gè)光束路徑都包含在一個(gè)連續(xù)的光纖里。

　　全世界已形成使用光纖激光器和光纖激光技術(shù)的行業(yè)趨勢(shì)，平均功率為100kW的光纖激光器的交付使用已經(jīng)在業(yè)界創(chuàng)造了一個(gè)了不起的記錄。千瓦級(jí)光纖激光器在最大的工業(yè)激光市場(chǎng)——平板切割市場(chǎng)中的進(jìn)步，揭示出光纖激光技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者們，仍然認(rèn)為這個(gè)市場(chǎng)存在著巨大的增長(zhǎng)空間。

　　納秒級(jí)脈沖光纖激光器在激光打標(biāo)和微加工行業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，使用活性和惰性光纖部件的皮秒級(jí)和飛秒級(jí)激光器在高精度激光微加工市場(chǎng)同樣取得了進(jìn)步。微秒和毫秒級(jí)準(zhǔn)連續(xù)波(QCW)光纖激光器也在快速取代現(xiàn)有的燈泵浦激光技術(shù)，用于低占空比、高脈沖能量焊接和切割操作。同樣地，光纖激光器部件被廣泛用于更短波長(zhǎng)的激光器。

　　鑭的角色

　　本文的重點(diǎn)是關(guān)于短波紅外(SWIR)光纖激光器波長(zhǎng)。值得注意的是，高功率光纖激光器產(chǎn)生于電信行業(yè)，所有的早期光纖高摻雜摻鉺光纖放大器(EDFA)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)是在1540nm范圍內(nèi)。因此， 領(lǐng)先的光纖激光器制造商從未僅集中在一個(gè)波長(zhǎng)。

　　也許最好的起點(diǎn)是元素周期表。在工業(yè)固體激光器中作為活躍介質(zhì)的所有稀土元素都是鑭系家庭成員。

　　從表1中我們可以看到，相鄰的鈥、鉺、銩和鐿(Yb)元素具有相似的物理性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)。這在一定程度上解釋了為什么它們都在活躍的光纖中作為摻雜物。然而，發(fā)射波長(zhǎng)并沒(méi)有隨著元素周期表中原子序數(shù)的增加而增加，其原因超出了本文的范圍，表2 中給出了主要的發(fā)射波長(zhǎng)。

　　短波紅外(SWIR)和中波紅外(MWIR) 激光器的簡(jiǎn)要回顧

　　最近學(xué)術(shù)界和業(yè)界對(duì)于SWIR 1.4-2.1μm光譜區(qū)的興趣與日俱增?，F(xiàn)在有幾個(gè)供應(yīng)商的商業(yè)光纖激光器、固體激光器、直接二極管激光器系統(tǒng)可用。

　　早期激光波長(zhǎng)狀況的發(fā)展推動(dòng)力是外科和牙科應(yīng)用，因?yàn)镾WIR波長(zhǎng)可以改善吸水特性，將會(huì)在本文后面討論。第一個(gè)開(kāi)發(fā)出的激光器是發(fā)射波長(zhǎng)為2.1μm 的YAG激光器，因?yàn)槲匦?，光束產(chǎn)生的表面組織會(huì)消融在人體內(nèi)，切口很精確，熱損傷區(qū)也很小(約 0.5mm)。

　　二十世紀(jì)九十年代中期，因?yàn)殡娦判袠I(yè)的繁榮，以電信行業(yè)發(fā)射波長(zhǎng)為1.53-1.56μm區(qū)域的EDFA為基礎(chǔ)的光纖激光器得以加速發(fā)展。銩在元素周期表中與鐿相鄰，所以這既顯示了摻鐿激光器也顯示了摻銩激光器的前景。這些激光器的發(fā)射波長(zhǎng)范圍是1.9 -2.1μm，由于其他的手術(shù)應(yīng)用如激光碎石術(shù)及其他泌尿手術(shù)的受歡迎而得以發(fā)展。

　　在這個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域，Q開(kāi)關(guān)或鎖模脈沖激光器也被發(fā)展作為激光驅(qū)動(dòng)粒子加速、更高的諧波生成、低功耗對(duì)眼睛安全的激光雷達(dá)、中紅外(中IR)頻率生成的泵浦源。通過(guò)光學(xué)參量振蕩器(OPO)或超連續(xù)光譜生成來(lái)進(jìn)行非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換。這些脈沖源的高峰值功率允許向更高波長(zhǎng)進(jìn)行高效地非線性轉(zhuǎn)換。在分子傳感應(yīng)用中，特別希望使用中紅外輻射，由于其多種分子的吸收特性，通常被稱為“分子指紋”區(qū)域。

　　在MWIR 2-5μm的區(qū)域，能直接產(chǎn)生長(zhǎng)波長(zhǎng)輻射的激光器也變得可用，但應(yīng)該注意的是，當(dāng)波長(zhǎng)超出2.1μm時(shí)， 使用傳統(tǒng)的硅酸鹽玻璃成為問(wèn)題。在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，需要使用氟化物、碲化或硫族化物玻璃傳輸光纖。

　　這些波長(zhǎng)可以用于各種各樣的應(yīng)用，包括光譜、非侵入性醫(yī)療診斷、激光手術(shù)刀、遙感、自由空間通信、OPO 泵浦。也有許多與國(guó)防有關(guān)的應(yīng)用包括對(duì)抗措施、爆炸危害的遠(yuǎn)程檢測(cè)、精確制導(dǎo)武器的自動(dòng)尋向彈頭、隱蔽通信系統(tǒng)都需要各種不同的波長(zhǎng)。對(duì)于這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其中一些在寬光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的混合光纖/晶體激光器已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。同時(shí)正在為這些應(yīng)用開(kāi)發(fā)二極管激光器，這類激光器使用新的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在常溫下能夠產(chǎn)生的波長(zhǎng)最高可為2.3μm。

　　安全問(wèn)題

　　我們現(xiàn)在來(lái)討論利用這些波長(zhǎng)來(lái)加工時(shí)面臨的一個(gè)非常重要的方面，在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高功率激光束有時(shí)被錯(cuò)誤地稱為“人眼安全”。需要著重強(qiáng)調(diào)的是，在我們現(xiàn)在討論的功率和影響級(jí)別內(nèi)，沒(méi)有所謂的人眼安全的激光束。請(qǐng)記住這個(gè)波長(zhǎng)是專門開(kāi)發(fā)的，因?yàn)樗畬?duì)這種波長(zhǎng)具有高吸收性，因此必須采取所有相關(guān)的激光安全預(yù)防措施。幸運(yùn)的是，所有高質(zhì)量的激光安全護(hù)目鏡都具備高光學(xué)密度來(lái)應(yīng)對(duì)這一波長(zhǎng)范圍。

　　摻銩光纖激光器

　　調(diào)Q開(kāi)關(guān)和連續(xù)波銩光纖激光器在過(guò)去的幾年里已經(jīng)發(fā)展到更高的平均功率?，F(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。在這個(gè)功率上，有人可能會(huì)期待實(shí)現(xiàn)特定的燒蝕材料處理應(yīng)用，比如薄膜劃線或切割，但我不知道有任何公開(kāi)發(fā)布的加工性能的技術(shù)信息，也不知道在哪個(gè)應(yīng)用上實(shí)際上大規(guī)模部署了這些激光器。開(kāi)發(fā)的連續(xù)波銩光纖激光器是高平均功率的，用于一組特定的一般稱為腔道泌尿外科學(xué)的外科手術(shù)，但這些技術(shù)的細(xì)節(jié)都包含在技術(shù)醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)中。事實(shí)上，可以通過(guò)可用的熔融石英玻璃光學(xué)器件和光纖來(lái)傳輸這個(gè)波長(zhǎng)的激光束， 從而讓引入新技術(shù)更加容易?，F(xiàn)在也容易從一些專業(yè)供應(yīng)商那里獲得特定于該波長(zhǎng)的光學(xué)涂層。在SWIR范圍內(nèi)，反射光學(xué)器件不再是問(wèn)題，因?yàn)榭梢韵穸趸技す馄髂菢邮褂媒饘夔R子。對(duì)于工業(yè)原料處理來(lái)說(shuō)，120W平均功率的可用性讓工業(yè)激光加工變得觸手可及， 尤其是考慮到與1μm激光器相比的非?，F(xiàn)實(shí)的成本模型。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在平均功率約100W的聚焦激光束，光學(xué)現(xiàn)象發(fā)生迅速，規(guī)模大到人類肉眼清晰可見(jiàn)(但是受到保護(hù))。

　　使用2μm連續(xù)波光纖激光器進(jìn)行加工

　　水和碳?xì)浠衔锓肿哟嬖谟谖覀冇龅降膸缀趺恳粋€(gè)物理對(duì)象，而且肯定存在于許多激光加工的材料中。大多數(shù)人都會(huì)同意硅是現(xiàn)代技術(shù)中最重要的一種材料。真正令人興奮的是，我們現(xiàn)在有一個(gè)實(shí)用、可靠、成本有效的激光工具，它與所有這些材料的相互作用都顯著不同。因此，讓我們仔細(xì)觀察2μm激光在不同的材料組別的影響。 

　　準(zhǔn)金屬

　　在科學(xué)文獻(xiàn)中有充足證據(jù)指出， 準(zhǔn)金屬的吸收率是波長(zhǎng)的強(qiáng)函數(shù)，衰減長(zhǎng)度顯著增加。圖1表明，硅的吸收系數(shù)隨著激光波長(zhǎng)從1.13μm (1.1eV)增加而逐漸減小。隨著波長(zhǎng)進(jìn)一步增加到2μm，吸收系數(shù)迅速下降。試驗(yàn)證明， 在1940 nm波長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)一個(gè)0.7mm厚的硅晶片，可以將直徑為4.2mm的100W 平行激光束50%的激光功率傳輸出來(lái)。意料之中的是，由于鍺和硅之間的相似性，我們?cè)阪N上看到類似的結(jié)果，而且預(yù)期在其他間接能隙材料上的傳輸能看到類似的結(jié)果。

　　一項(xiàng)專利未決技術(shù)已經(jīng)通過(guò)透射傳輸效果被開(kāi)發(fā)出來(lái)，在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和微流體領(lǐng)域，該技術(shù)還可以用于一系列新的熱過(guò)程。其他一些技術(shù)， 比如通常被稱為“直接結(jié)合”和“共晶焊接”技術(shù)也可以利用這一現(xiàn)象。這些技術(shù)尤其適用于焊接完全不同的材料，比如陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體和聚合物，使用一層非常薄的特定金屬連接層，這些金屬沉積到某一接合面中。激光器可以通過(guò)一種高度局域化的方式熔化這一夾層， 從而將幾乎任何材料連接到半導(dǎo)體或任何透明組件的背后。

　　我們還證明了，功率密度在通過(guò)硅之后可以高到足以在靠近硅背部的另一個(gè)吸收表面產(chǎn)生燒蝕。應(yīng)該注意的是， 這適用于均質(zhì)材料，即便是一個(gè)波長(zhǎng)的不均勻性，也可能會(huì)導(dǎo)致光散射在晶界或夾雜物上。這被認(rèn)為是觀察到的導(dǎo)致材料(如小粒度的陶瓷)吸收的原因， 本質(zhì)上在1-2μm范圍內(nèi)應(yīng)該是透明的。

　　金屬

　　金屬是結(jié)構(gòu)材料，存在確定的電子能帶結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)有效地吸收金屬表面的近紅外(NIR)輻射，盡管一些定性的效果表明，與NIR 1μm輻射相比，在2μm時(shí)金屬表面的反射率可能會(huì)略微增加，但我們?nèi)匀粵](méi)有任何證據(jù)來(lái)證明效果很明顯。 

　　非金屬

　　這種超群材料通常分為有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物。因?yàn)樵诜肿雍玩I能級(jí)開(kāi)始吸收，加上碳?xì)浠衔锖退肿訜o(wú)處不在，下面的討論將集中在碳?xì)浠衔?、C-H鍵、-OH鍵和H2O分子上。

　　有機(jī)熱塑性聚合物

　　在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用的基于碳?xì)滏I的材料類型中，這組是最引人注目的例子。這些材料的結(jié)構(gòu)與金屬相比有很大的差異，當(dāng)刺激分子鍵的共振頻率時(shí)，構(gòu)成商業(yè)聚合物的長(zhǎng)鏈大分子的段可以通過(guò)延伸、彎曲或旋轉(zhuǎn)進(jìn)行振蕩，這被認(rèn)為是摻銩激光器波長(zhǎng)的例子。2μm光譜范圍的這些波長(zhǎng)已經(jīng)足夠接近基本C-H鍵的第一諧波， C-H鍵在1.7μm時(shí)進(jìn)行拉伸吸收以創(chuàng)建電子振動(dòng)的激勵(lì)。電子振動(dòng)這個(gè)詞來(lái)源于單詞“振動(dòng)”和“電子”，其含義是，在一個(gè)分子中振動(dòng)和電子相互作用相互關(guān)聯(lián)和相互影響，以及在較短的波長(zhǎng)時(shí)不太可能發(fā)生化學(xué)蝕變。正如我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室每次使用摻銩光纖激光器時(shí)看到的那樣，電子振動(dòng)的實(shí)際效果是： 幾乎所有空缺聚合物在其他波長(zhǎng)的吸收能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1μm波長(zhǎng)。如圖2所示，使用激光束的時(shí)空控制，通過(guò)材料的體積進(jìn)行比爾-朗伯定律吸收，可以高度可控制地熔化幾乎所有的光學(xué)透明的熱塑性聚合物。

　　這項(xiàng)新技術(shù)消除了激光透射焊接(TTLW)技術(shù)的主要局限性，也不需要特定的紅外吸收器，而且在使用TTLW技術(shù)時(shí)需要特定的紅外吸收器用來(lái)加入透明聚合物。

　　半晶態(tài)和非晶態(tài)聚合物 

　　這是一個(gè)進(jìn)一步影響激光加工的重要的聚合物細(xì)分類型。激光熔化商業(yè)聚合物截然不同于熔化金屬，其原因在于大量不同的聚合物類型、混合成分以及它們之間吸收特性的巨大差異。然而， 如果這個(gè)討論僅限于光學(xué)透明或半透明聚合物，這一問(wèn)題變得更容易理解;很顯然，添加到這些聚合物中的成分，極少會(huì)影響到吸收特性。接下來(lái)變得明顯的區(qū)別是非晶態(tài)和半晶狀聚合物之間的區(qū)別。前文提到的由陶瓷中的材料不均勻性引起的散射效應(yīng)也是存在的，聚丙烯和聚乙烯這樣的半晶狀聚合物的散射效應(yīng)更加明顯，因此可能需要更慢的多通道加熱以避免降解，除非材料的厚度小于0.5mm。這種技術(shù)也可能會(huì)限制連接的半晶狀聚合物組件的最大厚度。壓克力(PMMA)和聚碳酸酯(PC)這樣的非晶狀聚合物通常會(huì)使用單通道在更高的升溫速率上熔化和連接，最大厚度已經(jīng)不是一個(gè)問(wèn)題;然而，這種技術(shù)似乎更適合應(yīng)用與連接更薄的小型高精度聚合物組件。

　　目前正在與伊士曼化工進(jìn)行合作，來(lái)比較激光鍵的強(qiáng)度與超聲焊接的強(qiáng)度。被調(diào)查的材料是高透明聚酯(COPET)，這是一個(gè)極佳的不含雙酚A的聚碳酸酯替代品，被廣泛用于各種消費(fèi)和醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品。初步結(jié)果顯示兩者的強(qiáng)度是一樣的，在某些情況下，強(qiáng)度優(yōu)于超聲波連接技術(shù)。

　　聚合物的機(jī)械強(qiáng)度很少能與金屬相比，因此聚合物的有效連接區(qū)域需要很大，其連接強(qiáng)度才能接近母材的強(qiáng)度。再者，如果考慮聚合物的低導(dǎo)熱系數(shù)和低熱擴(kuò)散率，意味著一般需要接近100W的平均功率，才能連接到稍厚的材料(約3mm)上，在實(shí)際速度下，典型的焊縫寬度為2-3mm。

　　水的吸收特性

　　由于基本O-H的伸展振動(dòng)，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(zhǎng)，從而顯著提高吸收特性。水普遍存在于許多有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物中，意味著大量各種各樣的材料改善了2μm光譜范圍的吸收特性，參見(jiàn)圖3。顯然，吸收特性的改善很難被量化，因?yàn)檫@種-OH鍵可能會(huì)表現(xiàn)為許多不同的形式。很明顯，效果可能是許多過(guò)程的基礎(chǔ)，這一過(guò)程需要受控制的局部脫水技術(shù)。

　　光纖激光器的相關(guān)性

　　光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)之一是亮度(或著說(shuō)是聚焦性能)，這直接決定了產(chǎn)生用于燒蝕激光加工的小型緊密聚焦激光束的能力。對(duì)于因通常不需要非常小的光斑尺寸而引入的低功率密度熱技術(shù)來(lái)說(shuō)，雖然高亮度高斯光束可能被視為是有害的，但是更大直徑的多模2微米光纖激光器也是可用的，因?yàn)樗麄兪谴蠊β识嗲呓t外光纖激光器。這些激光器能夠產(chǎn)生平頂或偽平頂光束， 這反過(guò)來(lái)又意味著如果需要大的熱治療區(qū)域， 可能會(huì)使用平行無(wú)焦點(diǎn)的平行光束， 從而大大降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

　　小結(jié)

　　現(xiàn)在，激光行業(yè)都認(rèn)為摻鐿光纖激光器的可伸縮性已被證明，摻銩光纖激光器是基于相同的概念，所以向更高功率擴(kuò)展也變得極為可行。如果回顧激光行業(yè)的50年，我們看到，與其他激光類型一樣，特別是與連續(xù)波摻鐿光纖激光器一樣，當(dāng)簡(jiǎn)潔可靠的工業(yè)包裝中能夠使用100W左右的平均功率時(shí)，激光會(huì)突然變得與一系列宏觀產(chǎn)業(yè)加工實(shí)施相關(guān)，重要的商業(yè)應(yīng)用也開(kāi)始出現(xiàn)?，F(xiàn)在，摻銩光纖激光器也同樣位于這一階段。