什麼是光纖雷射？定義、特徵、原理、類型、光學、用途、成本

最後更新日期： 2023-08-25 透過麥5分鐘閱讀

什麼是光纖雷射？光學器件、特性、類型、用途、成本

您將從本文中了解光纖雷射的定義、特點、原理、類型、光學、成本以及在切割、雕刻、打標、焊接、清潔中的用途。

什麼是光纖雷射？

光纖雷射是一種採用摻稀土元素的玻璃光纖作為增益介質的固體雷射器，具有光電轉換效率高、結構簡單、光束品質良好的特性。已成為雷射技術發展和產業應用的主流流程。由於光纖佔用空間小，因此可使用的場合廣泛，在下游製造加工領域有較高的使用率。光纖雷射具有很高的加工適應性，可用於任何應用。另外，光束品質更好，可以最大限度地為製造業帶來降本增效的效果。

光纖雷射器特點

• 可透過雙包層光纖結構泵浦稀土元素吸收光譜中對應的高功率、低亮度LD光源，輸出高亮度單模雷射。

• 設計小巧靈活，轉換效率高，可在惡劣條件下工作，並具有良好的冷卻系統。

• 光束品質好、轉換效率高、門檻低。

• 利用不同的稀土元素可實現0.38-4um波段的雷射輸出，波長選擇簡單可調，調諧範圍寬。

• 與現有光通訊系統匹配度高，耦合性佳。

• 光纖裝置和光纖成本低，可大幅降低結構成本。

組成及原理

與其他類型的雷射一樣，光纖雷射由增益介質、泵浦源和諧振腔3部分組成。它採用纖芯中摻雜稀土元素的活性光纖作為增益介質。一般採用半導體雷射作為泵浦源。諧振腔通常由鏡子、光纖端面、光纖環鏡或光纖光柵組成。特定工作過程為：工作時，活性光纖（增益光纖）吸收泵浦源提供的能量，經活性光纖與光纖光柵組成的諧振腔放大後，放大輸出雷射。

種子來源

又稱訊號源，是雷射放大系統中輻射放大的對象。提供低功率訊號的雷射被用作“種子”，讓放大系統根據這個“種子”的狀態進行放大。

主動光纖

有源光纖作為增益介質，其作用是實現泵浦光到訊號光的能量轉換，從而實現放大。

被動光纖

無源光纖主要實現光傳輸的功能，不參與波長轉換。在光纖雷射系統中，主要有光纖光柵、光纖隔離器中的被動匹配光纖、雷射能量傳輸組件中的被動多模大芯徑能量傳輸光纖。目前國內供應商的被動光纖產品基本上可以滿足生產需求，只有少量用於超高功率產品的被動光纖仍需要使用進口光纖。

光纖雷射光學

泵浦源

可作為工業半導體雷射輸出雷射的直接光源，也可作為泵浦光源，為光纖雷射提供高功率、高亮度的泵浦光。

泵浦組合器

多個泵浦光源的雷射可以耦合到光纖中，以實現更高功率的泵浦雷射輸出。

能量合成器

它可以將多個高功率光纖雷射模組的能量疊加，是實現多模雷射合束輸出的核心裝置。

光纖光柵

透過一定的方法對纖芯的折射率進行軸向週期性調製而形成的衍射光柵。它屬於被動濾波器件，也是諧振器的必備部件。它決定雷射的輸出波長和頻寬，並且可以控制雷射模式和光束品質。

雷射頭

是應用現場能夠實現高功率雷射遠距離柔性輸出的重要零件，並與加工系統相容，使雷射產生的雷射傳輸到加工材料上，完成雷射加工應用。

隔離

可有效保護雷射器，並有效防止返迴光損壞其他光學元件。

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可有效剝離雷射中的包層光，保護相關裝置，並提高輸出雷射光束的品質。聲光調變器主要應用於諧振腔內部，透過射頻驅動調變技術調製出所需的雷射脈衝。它是調Q脈衝光纖雷射的核心部件。

模式匹配器

用於連接2種不同類型光纖的核心元件，可最大限度降低不同類型光纖的連接損耗，優化雷射模式模場的匹配。

類型和用途

根據工作模式，光纖雷射有兩種最常用的類型：連續雷射和脈衝雷射。可用於切割、焊接、雕刻、打標、清潔等場景。

連續雷射

連續雷射連續發射光束，峰值功率為120KW。它用於切割、焊接、釬焊、鑽孔。半連續雷射（QCW）本質上仍是脈衝雷射，但脈衝寬度較長，峰值功率為23KW，用於切割、弧焊、鑽孔、釬焊、金屬淬火（提高金屬延展性、降低直流電阻），特別適合在點焊、縫焊和鑽孔應用中替代燈泵浦YAG雷射。與使用中的連續雷射有一定的重疊。

脈衝雷射

脈衝雷射可分為奈秒、皮秒、飛秒脈衝雷射。奈米2nd雷射（更長脈衝寬度）在劃線、蝕刻、鑽孔、表面處理、淬火、打標等應用中峰值功率可達2MW。奈米1nd雷射（更短的脈衝寬度用於微細加工）用於淬火、矽片和玻璃切割。 Pico2nd雷射（脈衝寬度達到pico2nd等級）峰值功率大於2MW，用於黑化、藍寶石及玻璃切割、光伏及OLED切割。飛秒雷射（脈衝寬度達到飛秒等級）峰值功率大於10MW，用於金屬板材切割、鑽孔、高精度加工、眼科手術等。