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光纤传输系统助力超快激光加工 |
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光缆简化了系统集成
时至今日，光导纤维光束传输技术已经成为高功率固体连续（CW）激光能够被广泛工业应用的核心驱动，但该技术却不能被应用于超快脉冲激光。而微纳结构的空芯光纤的出现使之成为可能，高能量的皮秒和飞秒脉冲激光能够被限制在其极小的中空芯部结构，以极佳的光束质量进行传输。当将其包入一根坚固的光缆外壳，或许意味着一个新的激光传输时代的开启。（见图1）
图1：适用于超快激光应用的光缆
由于可以对几乎任何材料进行超高精度的加工，超快激光展现出不断增长的应用需求。当其被应用于真正的工业生产时， 要求精确的控制脉冲的时间、空间和形状， 以便实现最佳的超快激光输出。光束传输系统作为连接激光源
和具体应用之间的光学界面， 是激光加工系统中尤为关键的一环。它的主要目标是在尽可能简单高效且不干扰激光束的前提下，将激光源的激光引导至被加工件的特定位置。但同时，对激光束在时间和空间上的整形、加强需求， 作为一个附加功能越来越多的被提出。
在上世纪90年代，基于光纤技术的光束传输系统作为主要突破，使连续半导体和固体激光器真正进入工业激光应用，而其也成为数千瓦功率连续激光应用的标准。可以预见的是，如果有类似的光纤传输系统可用于超快激光应用，那是十分值得期待的。
超快脉冲的光束传输
目前对于脉宽在几皮秒且脉冲能量满足材料加工需求的这类新兴超快激光应用，普遍采用空间光路传输。这些基于镜片组成的系统需要繁琐的细微调整（尤其是长距离传输），并且受到灰尘和颗粒污染的困扰。在整个光路中，数量庞大的光学组件成为光束质量损失的潜在的根源。此外，此类加工设备普遍需要一个精工细作的稳定基台结构，激光器必须尽可能的接近加工位置，在整体系统设计方面这意味着需要花费大量的成本和经历。
缺少标准的光束传输解决方案导致了系统设计方案的千差万别，这极大阻碍了超快激光得到更广泛的工业应用。更换激光光源或其他部件都需要重新对整个系统进行调整和校准，这最终无疑提高了成本。基于光纤的光束传输系统当下还无法实现，这主要由于传统的光纤并不适合传输超快激光。受限于本身的色散特性，会使脉宽变宽，损伤阈值也无法满足需求，而自聚焦（self-focusing）、受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering）以及拉曼散射（Raman scattering）等非线性效应，会轻易的破坏光纤材料或脉冲波形。所以作为结论，用于工业应用的超快脉冲无法通过传统的玻璃光纤进行传输。
可在中空芯部约束光束的新型光纤
微纳结构的空芯光纤(Microstructured hollow-core fibers，简称MHCFs，见图2)支持光束在中空芯部（例如充气或真空状态）中传输，这使得其能够传输极高的功率并且彻底消除了非线性效应。这种光纤从光子晶体光纤（photonic crystal fibers）演变而来，最早由来自英国巴斯大学（Bath University）的Russell，Knight和Birks共同开发研制。从那之后，各种不同样式的微纳结构光纤被开发出来，并证明了其可以传输高功率超快激光的潜在价值。此类光纤拥有类似于单模阶跃折射率光纤（step-index fibers）的芯部尺寸，而约束光线的芯部构造像是不规则的水晶。但不同的是，其芯部长度可以大大延长，并且承受更高的损伤阈值。99%的激光光线在其中空芯部中传导，可允许的脉冲能量等级提高到了毫焦耳（mJ）级别，大大超过了许多材料加工所需的能量等级。
图2：不同类型的微纳结构空芯光纤（MHCFs）以及光束质量（M2）为1.3时远近模场分布特性
将此类光纤适当的集成入工业光束传输系统，在保证完美的光束质量的前提下，几百瓦（multi-100W）和几百微焦（multi-100μJ）的超快激光脉冲可以被可靠的传输。这样的光束传输系统使得激光源和具体应用得以分离，可以将激光能量分送到不同的工作站，甚至柔性化的机器人系统也成为现实，这些无疑都大大增强了工业应用的可能性。
空芯光纤由于具有极低的色散特性，非常适合用于飞秒级别的脉宽。在900-1100纳米光谱范围区间，30至70dB/km或1%每米的衰减值是可以实现的。
从空芯光纤到超快光束传输系统
一套基于光纤的光束传输系统一般包括了光束发射系统，一段集成了光纤的光缆和一个加工头。光束发射系统（beam launching system，简称BLS)是一套激光耦合装置，是将激光源输出的激光聚焦到光纤端部。这将最大限度的
提高激光传输效率，并且改善了光纤输出端的光束质量。由于聚焦后的光斑十分微小，校准范围只有几微米，对整套系统的机械定位和稳定性都提出了很高的要求。根据激光源的不同，光学系统的发散角接近衍射极限，焦点位置为高斯能量分布。但无论如何，满足这样的机械稳定性和成像质量要求，从目前的大功率连续激光耦合技术来看，都已经非常成熟。
内部的光纤本身受到了极好的保护，外部坚固的套管禁得起工业常见的机器人或龙门机构百万次的弯曲。机械应力被减少到最小，即使是在充满颗粒的粗加工环境。灰尘和水分不允许进入光纤内部，不然会降低性能甚至造成光纤的损毁。
在光缆接头的端部有一面保护玻璃可以保证内部的密封性，它距光纤端有一定的安全距离，避免被脉冲能量破坏其镀膜或材料。光缆内部封闭的腔体可以充满洁净空气或其他任意气体，可以有一定的正压力或是完全抽真空。光纤本身的夹持部件提供了良好的热接触，可选的水冷功能可以在高功率级别提供有效的散热。精确的光纤端面校准考虑了更换光缆时的产生的误差，在更换同款光缆时几乎不需要对输出焦点进行再次微调。
一种新型的法兰接口提供了极高的机械重复精度和快速的连接。同时，O型密封圈提供了有效的安全保护，以保证在一般工业制造环境下运行。另外在光学方面，该光缆可具有与高功率连续光缆相同的安全功能，保护套管可以保证当内部光纤断裂时不会有任何激光外泄。同样根据工业标准，对光纤断裂、接口连接和耦合状态监测等功能也是具备的。
应用于工业超快激光
将这套光纤传输系统与现有工业超快激光系统匹配后，一系列的性能评估显示出这项新技术的巨大潜力，测试激光器覆盖了3至200瓦的功率范围，300飞秒至10皮秒的面宽范围，3至250微焦的脉冲能量范围。选用合适的光束发射系统并经过调校，该光缆可以被用于绝大部分的超快激光器。脉宽在飞秒级别，功率在几百瓦，脉冲能量在几百毫焦的超快激光在3至5米长的光纤中可以实现高于90%传输率。在不同功率等级耦合效率是恒定不变的，到光纤端面的焦点漂移可忽略不计，所以根据应用可以进行快速的功率调制。仅有的物理限制包括当脉冲能量过高时会损坏光纤端面，平均功率达到一定极限时光纤由于传输损耗而过热，以及当过高的峰值功率产生的非线性效应会造成脉冲波形的缺陷。
图3：适用于超快激光应用的光束发射装置（BLS）和带法兰接口的光缆接头
经过不断实际测试数据表明，在光缆接头（见图4）可选的水冷功能可以保证承受更高的平均功率，而加压或抽真空可以控制极高峰值功率带来的非线性效应。
图4：现场试验数据与一些选取的论证光纤传输高功率和高脉冲能量性能结果的比较
当利用合理的光束发射，可以在光缆的输出端保证很好的光束质量，一般的光束质量（M2）在1.3左右。图3 展示了光束经过微纳结构光纤传输时的远近情形，两边都具有光束质量为1.3且均匀的远场轮廓。
小结
基于光纤的光束传输系统曾经为半导体和固体激光在材料加工的工业化应用铺平了道路。对于超快激光而言，类似的解决方案如今已经成为现实，可以预见其也将产生出相似的影响。
光缆的最大优势是将促进系统集成的简化，使得激光器可以被放置在远离加工的位置，而加工设备的移动机构也不再需要笨重的支撑结构。最为额外的好处，这样精妙的光束传输系统提供了更简易的部件更换方式，减少了部件维护的时间。伴随这些技术优势，设备所有者整体激光系统集成成本将大大降低。
应用实验结果表明，经过集成了光纤的光束传输系统的传输，超快激光保持了完美的光束质量、脉宽和功率。得益于牢固的接口设计，传输和光束质量都可以避免机械移动负载的影响。在极限曲折半径内对光缆进行弯曲和移动都不会改变功率的传输率，只会对光强分布产生微弱的影响。对于900至1100纳米波段的超快激光应用，该光缆可轻易的对几百瓦的平均功率和几百微焦的脉冲能量进行传输。(end)
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(2/16/2016) |
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