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多维度:MOPA纳秒脉冲激光器的核心优势

多维度:MOPA纳秒脉冲激光器的核心优势

  • 分类:工艺应用
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  • 来源:
  • 发布时间:2022-04-16
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【概要描述】衡量激光器性能的指标维度很多,可以分为光学、电控、热控和环境适应性等几类,在已有工业激光器品类中,控制自由度最高,工艺适用性最广的是MOPA纳秒脉冲光纤激光器。

多维度:MOPA纳秒脉冲激光器的核心优势

【概要描述】衡量激光器性能的指标维度很多,可以分为光学、电控、热控和环境适应性等几类,在已有工业激光器品类中,控制自由度最高,工艺适用性最广的是MOPA纳秒脉冲光纤激光器。

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衡量激光器性能的指标维度很多,可以分为光学、电控、热控和环境适应性等几类,在已有工业激光器品类中,控制自由度最高,工艺适用性最广的是MOPA纳秒脉冲光纤激光器。

光学指标是我们最常关注到的指标,比如功率,包括平均功率和峰值功率,还包括短期和长期功率稳定性。对MOPA激光器而言,降功率频率是一个重要的参数,其含义如图1所示。对特定的脉宽,当激光脉冲重复频率低于降功率频率点时,激光器的平均功率就无法达到最大额定功率。

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图1 MOPA脉冲光纤激光器的降功率频率

由于激光器的平均功率 = 单脉冲能量 × 重复频率,根据激光器参数表对应的不同脉宽的降功率频率点,结合该机型的平均功率,就能计算出对应的最大单脉冲能量。一般MOPA脉冲激光器对应的最大单脉冲能量都是指长脉宽(大于250ns)条件下的参数,当脉冲宽度较短时,最大单脉冲能量也会较小,对应的降功率频率点也就会偏大,不同脉宽的最大能量实际上是受限于激光器中的峰值功率。有时光纤铠缆长度受限也是由于峰值功率的约束导致的。

与调Q激光器的近高斯型脉冲不同,MOPA脉冲激光器采用的是近似方波的脉冲,经过放大之后,由于增益饱和效应,会形成前高后低的脉冲形状,如图2所示。对于理想的方波,脉冲能量 = 峰值功率 × 脉冲宽度,对于变形的脉冲,仍然可以用脉冲能量和脉冲半高全宽来估算激光脉冲的峰值功率。当峰值功率高到一定阈值,比如材料的非线性自聚焦阈值时(通常为数兆瓦),就可以用来加工一些透光的脆性材料,比如石英玻璃、蓝宝石等。

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图2 MOPA激光器(左)短脉宽(中)中等脉宽和(右)长脉宽典型波形

对实际应用而言,经常关注激光器的短期和长期稳定性。所谓短期可以认为是秒级的或分钟级的,而长期则是小时级或者以日月计算的。一般来讲,在设置好参数并接收到开光信号后,在数十微秒级时间内,MOPA激光的输出脉冲就可以达到稳定,如果优化过首脉冲高度的,甚至数微秒即可。如果激光器连续出光,由于缓慢的热平衡过程,激光器在数分钟内平均功率既可以达到稳定。虽然光纤激光器的寿命很长,但是在长年累月的工作过程中,随着泵浦源芯片的老化衰减,合束器和隔离器等器件的老化损伤,激光器每年可能有5%左右的正常功率衰减。

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图3 MOPA激光器首脉冲

影响激光器加工工艺效果的还有一个重要的指标就是靶面的功率密度,峰值功率密度 = 峰值功率 ÷ 光斑面积,其中,光斑面积与激光器的光束质量和准直光斑直径以及场镜的配置有关。国产纳秒脉冲激光器在100W以上功率段一般光束质量都在1.6~1.8左右,光至科技提供的高亮度GMZ系列的激光器,M2控制在1.5以内,如果客户有要求,200W~300W大功率机型也能做到1.3,可以有效保证加工的质量。在超快激光器精细加工中,除了光束质量因子之外,色散和像差等因素也会对激光在材料上的焦斑形态产生较大的影响,控制这些参量需要在激光器设计特别是空间光学镜片设计和测试上做细致的工作

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         图4 光纤激光器中(左)基模和(右)高阶模的光斑形态和光束质量

激光器的光谱是影响材料吸收率的关键参数,一般的光纤激光器主要集中在1060nm、1550nm和2000nm波段,各自主要适用于金属、硅片和高分子材料的加工应用。在工业产品中大量用到的铜和光伏硅片的加工,绿激光由于其冷吸收率高,有特别的优势。对较厚的PCB或者精细的玻璃切割应用中,紫外激光由于光子能量高,也有特别的优势。绿光后者紫外激光器一般都是通过基频的1064nm激光在二倍频或者三倍频晶体中进行频率变换产生的。为了提高倍频效率,要求基频光具有线偏振、窄谱宽、高峰值还有高光束质量等特性,所以基于光纤的绿光或紫外光源结构较为复杂,同时镜片材料和膜层在绿光或者紫外光的长期辐照下,容易损伤。

除了光学参数,电控系统的皮实性、灵活性和易用性直接决定了产品的用户体验。在所有的工业激光器中,MOPA纳秒脉冲激光器的电控系统最为复杂。因为MOPA激光器的脉宽、重频范围很广,而且要求高速切换,涉及内部从振荡器到多级放大器的参数切换,而且市面上的控制卡信号多种多样,如果不能很好地适配,很容易导致激光器损坏。对超快激光器,激光器主体部分基本保持稳定工作,出光的重频和幅度控制主要通过末端的声光器件来完成。MOPA激光器因为采用电调制的LD作为种子源,灵活性更强,可以对脉冲形态进行整形,还可以灵活控制首脉冲高度和实现脉冲串输出。

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图5 光至科技200W级MOPA纳秒脉冲激光器

按照冷却方式,激光器可以简单分为传导冷却、强制风冷和强制水冷。传导冷却一般适用于功率较小的激光器,主要发热元件置于结构体底面,通过外部型材进行散热,如超快激光种子源或者雷达光源通常采用这种散热方式。强制风冷主要适用于1000W以内的激光器,通过散热型材的风道和风扇,将激光器内部的热量带走,风冷的激光器比较容易受到环境温度的影响,因此没有温控的工作环境下,冬天和夏天激光器的输出功率可能有一定差别。千瓦以上的高功率连续激光器一般采用强制水冷,一般1kW的光纤激光器对应的冷却水流量大体在6到8升每分钟,QBH输出头的冷却水流量在2升每分钟左右。强制水冷的温度一般会有0.5度到2度左右的波动,如果采用976nm泵浦源,这种波动会影响激光器的输出功率稳定性,这是工业激光器主要采用915nm的原因之一。

为了适应各种工作环境,激光器还需要在结构设计上考虑防尘、防水、防盐雾等。对普通的光纤激光器而言,防尘是基本的要求,但是风扇和风道如果长时间不清理也会导致灰尘累积,散热不良。对水冷激光器,为了防止结露,还需要做得气密,有些在内部还要使用干燥剂来去除空气中的水分。如果激光器在震动的平台上工作,则要求激光器在内外结构上进行强化设计,对螺钉固定等一些安装细节也会有较高的要求。

光至科技是一家以产品技术见长的公司,在深入理解激光器多维度参数及其背后的物理规律的基础上,可以为客户提供最优的光源选择,欢迎广大客户来电咨询。

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