發布日期：2022-10-09 點擊率：156
一款獨特的單片裝配系統實現了一種高度穩定的二極管泵浦固態激光光源，它能夠獲得比光纖激光器更寬的光譜，因此更適合于打標應用。
光纖激光器技術已經從2002年的“縫隙角色”（niche play）成長為今天的主流激光器技術，然而二極管泵浦固態激光器的發展又如何呢？盡管在過去的5年間，二極管泵浦固態（DPSS）激光器可能在性能指標方面沒有太大改善，但是其在制造工藝上的進步，卻對它們的性能產生了積極的影響。
美國相干公司開發了一種獨特的裝配機制，用于裝配DPSS激光器諧振腔中實現必需的性能和成本特征的光學元件，同時還開發了機器輔助的裝配方法，用以實現單元到單元的高度一致性（見圖1）。一般的工業激光打標應用要求光源結構堅固，并且在瞄準穩定性、高光束質量（低M2值）以及低噪聲方面具有較高的性能。在很寬的工作溫度范圍以及苛刻的工業制造環境中，激光器必須要十分可靠地保持上述性能。而且，打標應用對成本極其敏感，因此用于打標的激光器的制造成本必須要低廉。
圖1. 按照PermAlign生產技術，二極管泵浦固態激光器諧振腔中的每一個光
學元件都牢固地焊接在陶瓷基底上。
光纖激光器：勞動密集型
光纖激光器完全是由光纖——又長又細的玻璃纖維制成的。這既是長處也是缺點。由于光纖本身僅比人的頭發略粗，因此光纖激光器的制造過程中大部分工作是對光纖的操作和封裝。
從基本結構上看，光纖激光器包括兩個光纖布拉格光柵和一段增益光纖，此外還需要將光束從多模二極管光源耦合到增益光纖中，這通常是通過增加一個叫做合束器的元件來實現的。這五個光學元件——光纖布拉格光柵、合束器、增益光纖、合束器以及另一個光纖布拉格光柵要熔接在一起（見圖2）。
圖2. 光纖激光器的基本結構包括幾段光纖，以及將光束從泵浦激光二
極管耦合到光纖中的合束器。
如今，這種光纖激光器（尤其是用于打標的激光器）的結構可以采取另外一種叫做主振功率放大器（MOPA）的形式來實現。這種結構的起始端不是光纖布拉格光柵，而是一個單模激光二極管，后面是一級或二級功率放大器。這些放大器是由與第一個例子中相同的增益光纖與合束器構成的。
為了使這兩種基本結構在工業應用中足夠穩固，激光器的封裝就成了一個關鍵問題。應力和熱隔離是光纖激光器系統中要仔細控制的關鍵因素。應力可能引起光纖折射率的改變，從而影響激光輸出模式；而熱隔離對于制造光纖包層和熔接節點至關重要。
由于光纖又細又長，在發射激光的過程中釋放出來的任何熱量都會散布到整根光纖。因此，就增益光纖來說，將光纖纏繞在線軸上或者把光纖埋入熱復合物中，以便于將熱量從整根光纖上移走就變得非常必要。對于MOPA結構，盡管它的起始端是一個熔接在放大器上的單模二極管激光器，放大器的增益光纖也必須以這樣的方式進行熱隔離。
光纖激光器最令人驚嘆的特征不是它的性能，而是上面所描述的所有步驟——光纖被纏繞到封裝包中，以及激光器的裝配，都是由手工完成的。通常在低功率光纖激光器中，成本的主要部分不是二極管，而是裝配和機械部件。現在還很難想象未來光纖激光器在裝配過程中不再需要大量的手工操作。
DPSS激光器：單片裝配，機器組裝
二極管泵浦固態調Q激光器的諧振腔由反射鏡、二向色濾光片等多個分立的光學元件構成。傳統上這些腔內光學元件都被固定在可以通過螺桿傳動進行角度調整的底座上。激光器一經準直，這些調整螺桿就被鎖定在各自的位置上。對于科研用激光器，用戶通常希望隨時都能夠對諧振腔進行重新優化，那么上述方法可以說是再好不過了。但是這對于工業用激光器，特別是當激光器與易受溫度和濕度變化影響、以及振動壓力影響的設備結合使用時，上述方法就不算理想了。可調底座會隨溫度變化或機械振動而發生移動，并且生產、裝配和準直的成本都較高，即使簡單的底座也要包含20個獨立的部件。
幾年以前，相干公司開發出了制造OEM激光器的一種完全不同的方法，它可以直接消除上面提到的缺點。這是一種稱為PermAlign技術的系統，目前該系統已經實現商用。在這種系統中，每個光學元件都通過低溫焊料直接固定在一個低膨脹系數的陶瓷基底上。在焊接這些光學元件之前，每個基底都被牢牢地固定在激光器的底板上。
由于不存在可以移動的分立部件，因此這種單片集成的方法不會因為周圍環境的抖動或震動而發生移動。此外，該技術也沒有采用可能釋放氣體的塑料或者橡膠。激光器一經廠家校準，激光頭就會被永久封閉，使激光器免受灰塵、蒸汽和濕氣的影響。這種裝配類型能夠實現成本低廉的低功率激光器，因為每個底座只是帶有少量焊料的一小塊陶瓷。同樣重要的是，這種方法能夠實現機器輔助裝配，光學元件的定位和焊接是根據光束分析儀器反饋的信息完成的，光束分析儀器包括一臺光束分析儀和一個功率計（見圖3）。
圖3. 除了較高的穩定性以外，PermAlign技術也適用于印刷電路板工業
中發展起來的機器分揀和定位裝配。
適于打標的穩定性能
盡管DPSS激光器的傳統制造技術可以獲得較低的M2輸出，但是卻無法獲得如今PermAlign技術所能實現的激光器的長期穩定性、性能的一致性以及體積的小型化。雖然光纖激光器可以在成本上與PermAlign技術相匹敵，并且可以實現單元到單元的一致性，但是這也要取決于產品和結構。另外，盡管光纖激光器在瞄準穩定性和噪聲方面與PermAlign技術相當，但是光纖激光器的光束傳輸系統中使用的光纖是安裝在金屬框架內的，所以其穩定性和噪聲性能將會受到影響。例如，與振蕩器連接的出射光纖是通過長度通常為3m的可變形長金屬管獲得反饋的。此外，振蕩器采用的摻釔光纖的吸收特性隨著溫度的變化而發生改變，因此輸出噪聲會隨著溫度的變化而提高5倍。
利用PermAlign技術生產的紅外波段激光器還具有適于打標的另外一些優點，因為DPSS激光器可以獲得很好的光束質量和很高的峰值功率。特別地，DPSS激光器采用一種自由空間諧振腔，具有半球形的振蕩器結構。這種類型的諧振腔是產生TEM00模和較低M2值所必需的。作為一個真正的點光源，這是激光束最容易的聚焦形式，它聚焦以后的光斑尺寸僅受限于光束傳輸光學元件中的衍射和像差。相比之下，光纖激光器則不能作為一個點光源，并且光束的特征要受到纖芯直徑和光纖數值孔徑的限制。此外，光纖激光器要想獲得最大的峰值功率（像脈沖激光器那樣高），就必須要用更大的纖芯來減小損傷和非線性閾值，因為這兩個因素都與面積有關，并且隨峰值功率呈指數增長。利用PermAlign技術生產的激光器可以獲得小于1.3的M2值，而典型的光纖激光器的M2值大約為2，這就意味著對于相同的光束傳輸元件，光纖激光器的聚焦光斑直徑將近前者的2倍，而光斑面積則為前者的4倍。
這些對于打標有什么影響呢？首先，小的光斑尺寸可以實現高分辨率或微型打標，從而具有更寬的應用光譜。對于大量的工業應用來說，更重要的是，較高的光束質量可以增大激光器與打標表面的工作距離，以及擴大打標區域的面積。對于那些打標窗口很寬、或者作用于不規則形狀的部件而需要改變工作距離的情況，這一點是非常有價值的。
不管打標對象是軟材料還是硬材料，將激光束聚焦到最小可能尺寸的能力、并支持高分辨率打標，這一點可以用來加工二維條形碼或Logo圖等復雜的高容量標記，或者將混合符號串縮小。
歷史上在激光器的制造過程中，需要熟練的技術工人對其進行無數次調整使其便于調節和優化。之后我們便看到了注重光束質量和功率的光纖激光器的出現，但是卻很少聽說它們在制造過程中的復雜性和勞動密集性。但是隨著激光器日益滲透到工業應用中，它們必須經過重新設計使其在壽命之內提供最佳的輸出特性，而只需最小限度的維護與調節，甚至不需要維護與調節。這對于保持激光器的成本競爭優勢以及進一步拓展市場極為重要。
Stuart Woods，Coherent公司業務開發主任
Tobias Pfanz，Coherent公司產品市場經理
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