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掺铥光纤激光器加工原理
作者:Tony Hoult    来源:美国《Industrial Laser Solution》杂志
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半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ...
在一个平均功率足够高且每瓦成本控制在1美元,由此立即吸引到客户并将其用于实际工业应用的激光器中,通常难以存在两种不同的激光波长,但是掺铥(Tm)光纤激光器恰恰能做到这一点。这种100W级别的激光器最初是开发应用于外科手术中的,但现在却在许多意想不到的其他应用领域有着独特的功能,本文将介绍这些功能。

迄今为止的光纤激光器

几乎与所有的光纤激光器一样,高功率千瓦级光纤激光器使用镱作为活性介质。这种激光器最重要的特性是通过将这种活性介质泵入光纤自身来产生光束。整个光束路径都包含在一个连续的光纤里。

全世界已形成使用光纤激光器和光纤激光技术的行业趋势,平均功率为100kW的光纤激光器的交付使用已经在业界创造了一个了不起的记录。千瓦级光纤激光器在最大的工业激光市场——平板切割市场中的进步,揭示出光纤激光技术的领导者们,仍然认为这个市场存在着巨大的增长空间。

纳秒级脉冲光纤激光器在激光打标和微加工行业产生了巨大的影响,使用活性和惰性光纤部件的皮秒级和飞秒级激光器在高精度激光微加工市场同样取得了进步。微秒和毫秒级准连续波(QCW)光纤激光器也在快速取代现有的灯泵浦激光技术,用于低占空比、高脉冲能量焊接和切割操作。同样地,光纤激光器部件被广泛用于更短波长的激光器。

镧的角色

本文的重点是关于短波红外(SWIR)光纤激光器波长。值得注意的是,高功率光纤激光器产生于电信行业,所有的早期光纤高掺杂掺铒光纤放大器(EDFA)设备的标准波长是在1540nm范围内。因此, 领先的光纤激光器制造商从未仅集中在一个波长。

也许最好的起点是元素周期表。在工业固体激光器中作为活跃介质的所有稀土元素都是镧系家庭成员。

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从表1中我们可以看到,相邻的钬、铒、铥和镱(Yb)元素具有相似的物理性质和电子结构。这在一定程度上解释了为什么它们都在活跃的光纤中作为掺杂物。然而,发射波长并没有随着元素周期表中原子序数的增加而增加,其原因超出了本文的范围,表2 中给出了主要的发射波长。

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短波红外(SWIR)和中波红外(MWIR) 激光器的简要回顾

最近学术界和业界对于SWIR 1.4-2.1μm光谱区的兴趣与日俱增。现在有几个供应商的商业光纤激光器、固体激光器、直接二极管激光器系统可用。

早期激光波长状况的发展推动力是外科和牙科应用,因为SWIR波长可以改善吸水特性,将会在本文后面讨论。第一个开发出的激光器是发射波长为2.1μm 的YAG激光器,因为吸水特性,光束产生的表面组织会消融在人体内,切口很精确,热损伤区也很小(约 0.5mm)。

二十世纪九十年代中期,因为电信行业的繁荣,以电信行业发射波长为1.53-1.56μm区域的EDFA为基础的光纤激光器得以加速发展。铥在元素周期表中与镱相邻,所以这既显示了掺镱激光器也显示了掺铥激光器的前景。这些激光器的发射波长范围是1.9 -2.1μm,由于其他的手术应用如激光碎石术及其他泌尿手术的受欢迎而得以发展。

在这个波长区域,Q开关或锁模脉冲激光器也被发展作为激光驱动粒子加速、更高的谐波生成、低功耗对眼睛安全的激光雷达、中红外(中IR)频率生成的泵浦源。通过光学参量振荡器(OPO)或超连续光谱生成来进行非线性光学转换。这些脉冲源的高峰值功率允许向更高波长进行高效地非线性转换。在分子传感应用中,特别希望使用中红外辐射,由于其多种分子的吸收特性,通常被称为“分子指纹”区域。

在MWIR 2-5μm的区域,能直接产生长波长辐射的激光器也变得可用,但应该注意的是,当波长超出2.1μm时, 使用传统的硅酸盐玻璃成为问题。在这个波长范围内,需要使用氟化物、碲化或硫族化物玻璃传输光纤。

这些波长可以用于各种各样的应用,包括光谱、非侵入性医疗诊断、激光手术刀、遥感、自由空间通信、OPO 泵浦。也有许多与国防有关的应用包括对抗措施、爆炸危害的远程检测、精确制导武器的自动寻向弹头、隐蔽通信系统都需要各种不同的波长。对于这些应用来说,其中一些在宽光谱范围内连续可调的混合光纤/晶体激光器已经被开发出来。同时正在为这些应用开发二极管激光器,这类激光器使用新的异质结构,在常温下能够产生的波长最高可为2.3μm。

安全问题

我们现在来讨论利用这些波长来加工时面临的一个非常重要的方面,在此波长范围内的高功率激光束有时被错误地称为“人眼安全”。需要着重强调的是,在我们现在讨论的功率和影响级别内,没有所谓的人眼安全的激光束。请记住这个波长是专门开发的,因为水对这种波长具有高吸收性,因此必须采取所有相关的激光安全预防措施。幸运的是,所有高质量的激光安全护目镜都具备高光学密度来应对这一波长范围。

掺铥光纤激光器

调Q开关和连续波铥光纤激光器在过去的几年里已经发展到更高的平均功率。现在已经有一定数量的供应商能提供平均功率为10W的商用脉冲激光器。在这个功率上,有人可能会期待实现特定的烧蚀材料处理应用,比如薄膜划线或切割,但我不知道有任何公开发布的加工性能的技术信息,也不知道在哪个应用上实际上大规模部署了这些激光器。开发的连续波铥光纤激光器是高平均功率的,用于一组特定的一般称为腔道泌尿外科学的外科手术,但这些技术的细节都包含在技术医学文献中。事实上,可以通过可用的熔融石英玻璃光学器件和光纤来传输这个波长的激光束, 从而让引入新技术更加容易。现在也容易从一些专业供应商那里获得特定于该波长的光学涂层。在SWIR范围内,反射光学器件不再是问题,因为可以像二氧化碳激光器那样使用金属镜子。对于工业原料处理来说,120W平均功率的可用性让工业激光加工变得触手可及, 尤其是考虑到与1μm激光器相比的非常现实的成本模型。简单来说,在平均功率约100W的聚焦激光束,光学现象发生迅速,规模大到人类肉眼清晰可见(但是受到保护)。

使用2μm连续波光纤激光器进行加工

水和碳氢化合物分子存在于我们遇到的几乎每一个物理对象,而且肯定存在于许多激光加工的材料中。大多数人都会同意硅是现代技术中最重要的一种材料。真正令人兴奋的是,我们现在有一个实用、可靠、成本有效的激光工具,它与所有这些材料的相互作用都显著不同。因此,让我们仔细观察2μm激光在不同的材料组别的影响。

准金属

在科学文献中有充足证据指出, 准金属的吸收率是波长的强函数,衰减长度显著增加。图1表明,硅的吸收系数随着激光波长从1.13μm (1.1eV)增加而逐渐减小。随着波长进一步增加到2μm,吸收系数迅速下降。试验证明, 在1940 nm波长时,通过一个0.7mm厚的硅晶片,可以将直径为4.2mm的100W 平行激光束50%的激光功率传输出来。意料之中的是,由于锗和硅之间的相似性,我们在锗上看到类似的结果,而且预期在其他间接能隙材料上的传输能看到类似的结果。

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一项专利未决技术已经通过透射传输效果被开发出来,在微机电系统(MEMS)和微流体领域,该技术还可以用于一系列新的热过程。其他一些技术, 比如通常被称为“直接结合”和“共晶焊接”技术也可以利用这一现象。这些技术尤其适用于焊接完全不同的材料,比如陶瓷、玻璃、半导体和聚合物,使用一层非常薄的特定金属连接层,这些金属沉积到某一接合面中。激光器可以通过一种高度局域化的方式熔化这一夹层, 从而将几乎任何材料连接到半导体或任何透明组件的背后。

我们还证明了,功率密度在通过硅之后可以高到足以在靠近硅背部的另一个吸收表面产生烧蚀。应该注意的是, 这适用于均质材料,即便是一个波长的不均匀性,也可能会导致光散射在晶界或夹杂物上。这被认为是观察到的导致材料(如小粒度的陶瓷)吸收的原因, 本质上在1-2μm范围内应该是透明的。

金属

金属是结构材料,存在确定的电子能带结构,负责有效地吸收金属表面的近红外(NIR)辐射,尽管一些定性的效果表明,与NIR 1μm辐射相比,在2μm时金属表面的反射率可能会略微增加,但我们仍然没有任何证据来证明效果很明显。

非金属

这种超群材料通常分为有机和无机化合物。因为在分子和键能级开始吸收,加上碳氢化合物和水分子无处不在,下面的讨论将集中在碳氢化合物、C-H键、-OH键和H2O分子上。

有机热塑性聚合物

在工业领域被广泛使用的基于碳氢键的材料类型中,这组是最引人注目的例子。这些材料的结构与金属相比有很大的差异,当刺激分子键的共振频率时,构成商业聚合物的长链大分子的段可以通过延伸、弯曲或旋转进行振荡,这被认为是掺铥激光器波长的例子。2μm光谱范围的这些波长已经足够接近基本C-H键的第一谐波, C-H键在1.7μm时进行拉伸吸收以创建电子振动的激励。电子振动这个词来源于单词“振动”和“电子”,其含义是,在一个分子中振动和电子相互作用相互关联和相互影响,以及在较短的波长时不太可能发生化学蚀变。正如我们在实验室每次使用掺铥光纤激光器时看到的那样,电子振动的实际效果是: 几乎所有空缺聚合物在其他波长的吸收能力远远超过1μm波长。如图2所示,使用激光束的时空控制,通过材料的体积进行比尔-朗伯定律吸收,可以高度可控制地熔化几乎所有的光学透明的热塑性聚合物。

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这项新技术消除了激光透射焊接(TTLW)技术的主要局限性,也不需要特定的红外吸收器,而且在使用TTLW技术时需要特定的红外吸收器用来加入透明聚合物。

半晶态和非晶态聚合物

这是一个进一步影响激光加工的重要的聚合物细分类型。激光熔化商业聚合物截然不同于熔化金属,其原因在于大量不同的聚合物类型、混合成分以及它们之间吸收特性的巨大差异。然而, 如果这个讨论仅限于光学透明或半透明聚合物,这一问题变得更容易理解;很显然,添加到这些聚合物中的成分,极少会影响到吸收特性。接下来变得明显的区别是非晶态和半晶状聚合物之间的区别。前文提到的由陶瓷中的材料不均匀性引起的散射效应也是存在的,聚丙烯和聚乙烯这样的半晶状聚合物的散射效应更加明显,因此可能需要更慢的多通道加热以避免降解,除非材料的厚度小于0.5mm。这种技术也可能会限制连接的半晶状聚合物组件的最大厚度。压克力(PMMA)和聚碳酸酯(PC)这样的非晶状聚合物通常会使用单通道在更高的升温速率上熔化和连接,最大厚度已经不是一个问题;然而,这种技术似乎更适合应用与连接更薄的小型高精度聚合物组件。

目前正在与伊士曼化工进行合作,来比较激光键的强度与超声焊接的强度。被调查的材料是高透明聚酯(COPET),这是一个极佳的不含双酚A的聚碳酸酯替代品,被广泛用于各种消费和医疗设备产品。初步结果显示两者的强度是一样的,在某些情况下,强度优于超声波连接技术。

聚合物的机械强度很少能与金属相比,因此聚合物的有效连接区域需要很大,其连接强度才能接近母材的强度。再者,如果考虑聚合物的低导热系数和低热扩散率,意味着一般需要接近100W的平均功率,才能连接到稍厚的材料(约3mm)上,在实际速度下,典型的焊缝宽度为2-3mm。

水的吸收特性

由于基本O-H的伸展振动,液态水的强吸收带在约1950nm。这足够接近标准铥光纤激光器的波长,从而显著提高吸收特性。水普遍存在于许多有机和无机化合物中,意味着大量各种各样的材料改善了2μm光谱范围的吸收特性,参见图3。显然,吸收特性的改善很难被量化,因为这种-OH键可能会表现为许多不同的形式。很明显,效果可能是许多过程的基础,这一过程需要受控制的局部脱水技术。

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光纤激光器的相关性

光纤激光器的优点之一是亮度(或着说是聚焦性能),这直接决定了产生用于烧蚀激光加工的小型紧密聚焦激光束的能力。对于因通常不需要非常小的光斑尺寸而引入的低功率密度热技术来说,虽然高亮度高斯光束可能被视为是有害的,但是更大直径的多模2微米光纤激光器也是可用的,因为他们是大功率多千瓦近红外光纤激光器。这些激光器能够产生平顶或伪平顶光束, 这反过来又意味着如果需要大的热治疗区域, 可能会使用平行无焦点的平行光束, 从而大大降低系统复杂性和成本。

小结

现在,激光行业都认为掺镱光纤激光器的可伸缩性已被证明,掺铥光纤激光器是基于相同的概念,所以向更高功率扩展也变得极为可行。如果回顾激光行业的50年,我们看到,与其他激光类型一样,特别是与连续波掺镱光纤激光器一样,当简洁可靠的工业包装中能够使用100W左右的平均功率时,激光会突然变得与一系列宏观产业加工实施相关,重要的商业应用也开始出现。现在,掺铥光纤激光器也同样位于这一阶段。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (3/26/2014)
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