When did fiber lasers come out?

光纤激光器如今在现代世界中无处不在。由于其可生成的不同波长，它们被广泛应用于工业环境中进行切割、标记、焊接、清洁、纹理处理、钻孔等一系列操作。同时，它们还被应用于通信和医学等领域。

光纤激光器利用由二氧化硅玻璃制成的光纤电缆引导光线。相较于其他类型的激光，所得激光束更为精确，因为它更笔直且更小。此外，光纤激光器占地面积小，电效率好，维护成本低，运行成本亦低。

如果您想了解关于光纤激光器的一切，请继续阅读。

光纤激光器何时被发明？

埃利亚斯·斯尼泽于1960年发明了光纤激光器，并在1961年展示了其应用。然而，真正的商业应用直到1970年代才得以实现。

为何需要那么长时间？主要原因在于光纤激光器技术当时依然处于萌芽阶段。例如，光纤激光器只能输出数十毫瓦的功率，而大多数应用需要至少20瓦的功率。此外，生成高质量泵光的手段也未能实现，因为激光二极管的性能远不及如今的技术。

以下是光纤激光器技术史上的一些重要时刻，追溯至爱因斯坦于1900年奠定的基础：

• 1900年 - 发现受激发射（阿尔伯特·爱因斯坦）。
• 1957年 - 激光的理论框架被建立（戈登·古尔德）。
• 1960年 - 首个激光器（红宝石激光器）构建（西奥多·迈曼）。
• 1960年 - 首次生成连续波激光束。
• 1962年 - 首次提出“光纤”这个术语（纳林德·卡潘尼）。
• 1964年 - 在玻璃光纤中发现光波导模式（埃利亚斯·斯尼泽）。
• 1964年 - 实现Q开关技术，可生成脉冲激光束（罗伯特·W·赫尔沃思和R.J.麦克朗）。
• 1965年 - 首个光纤激光器被展示（埃利亚斯·斯尼泽）。
• 1971年 - 发现一套从光纤中去除杂质的技术，从而降低光损失（查尔斯·考和乔治·霍克汉姆）。
• 1975年 - 展示首个双包层光纤激光器（埃利亚斯·斯尼泽）。
• 1980年 - 4瓦铒掺杂光纤激光器成功突破功率极限。
• 1990年 - 成功发明单模硅光纤激光器和放大器（大卫·N·佩恩）。

如今，光纤激光器技术仍在不断进步，使其更加高效、强大且易于获得。其中一些新兴应用包括激光清洗和激光纹理处理，有望替代污染技术，助力环保。

光纤激光器的类型

广义上讲，光纤激光器可以根据以下标准进行分类：

• 激光源：光纤激光器会根据混合的激光源材料的不同而有所差异。其中一些例子包括钇掺杂光纤激光器、铥掺杂光纤激光器和铒掺杂光纤激光器。每种类型的激光器因产生不同波长而用于不同的应用。
• 操作模式：不同类型的激光在释放激光束时方式各异。激光束可以以设定重复率脉冲发射以达到高峰值功率（脉冲光纤激光器），如 “Q开关”、“增益开关”和“锁模”激光，或以连续的方式，意味着持续释放相同的能量（连续波光纤激光器）。
• 激光功率：激光功率以瓦特表示，指激光束的平均功率。例如，您可能会有20W光纤激光器、50W光纤激光器等等。高功率激光器比低功率激光器能更快地产生更多能量。
• 模式：模式指的是光在光纤中传播的核心（光传输部分）大小。通常分为单模光纤激光器和多模光纤激光器。单模激光器的核心直径较小，通常在8到9微米之间，而多模激光器则较大，通常在50到100微米之间。一般来说，单模激光器更高效地传输激光光束且具有更好的光束质量。

光纤激光器有许多其他分类方式，但上述提到的类别是最常见的。请访问这些链接以查看光纤激光器集成到产品中的实例如下：

光纤激光器与CO2激光器的区别是什么？

光纤激光器与CO2激光器的主要区别在于激光束产生的源头。在光纤激光器中，激光源是混合了稀土元素的二氧化硅玻璃。而在CO2激光器中，激光源是包括二氧化碳在内的气体混合物。

由于其源的状态，光纤激光器被认为是固态激光器，而CO2激光器则被归类为气体激光器。

这些激光源还生成不同的波长。例如，光纤激光器产生的波长较短，通常在780 nm至1060 nm之间，而CO2激光器产生的波长较长，通常在9600 nm至10600 nm之间。

由于波长的不同，它们被应用于不同的用途。例如，780 nm光纤激光通常更受欢迎于金属处理领域。但在金属切割上，CO2激光器更被青睐。CO2激光器也对有机材料反应较好。

如果您正在考虑选择其中之一，可以阅读我们的文章以了解选择CO2激光器和光纤激光器的要点。

光纤激光机是什么？

当光纤激光系统被设计成一个可以直接使用的解决方案时，这个解决方案被称为光纤激光机。尽管OEM激光系统是执行操作的工具，但激光机是集成工具的框架。

激光机可以确保：

• 通过提供激光安全和烟雾提取，使工人100%安全
• 整合机械组件以自动化操作或促进操作员的工作
• 激光过程被精确调整以完成特定操作

例如，这里的光纤激光机增加了一个旋转桌子、一个旋转索引器、一个1级激光安全外壳、一个烟雾提取器、一个视觉相机和一个人机界面（HMI）。

如果您希望查看更多光纤激光机的实例，请访问以下链接：

光纤激光的使用寿命多长？

大多数网络来源声称光纤激光的使用寿命为100,000小时，而CO2激光则为30,000小时。但这并不完全正确。这些数字指的是“平均故障间隔时间”（MTBF），而这并非适用于所有光纤激光器。实际上，不同类型的光纤激光器将显示不同的数字。

MTBF通过测试多个激光单元得到，借此表明激光预期在发生故障之前会运行多少小时。

虽然该数值不能准确告知光纤激光的真实寿命，但仍能为激光的可靠性提供良好指示。

如果您想了解光纤激光的确切寿命，可能会感到失望，因为没有准确的答案。实际上，光纤激光有几个关键节点可能导致其寿命内的故障。

若您的激光在以下的关键节点出现故障，请注意：

• 早期使用：如果光纤激光存在制造缺陷，它将在早期发生故障。应确保您拥有覆盖制造缺陷的购买保证，从而确保激光可以在不另收费用的情况下被更换。
• 正常使用：一旦通过最初的故障高峰期，MTBF值将为您提供激光故障几率的良好指示。高MTBF是确保所有运作良好的保证，但并非绝对的保证。针对正常使用中可能发生的故障，您可以采取多种准备措施：如提前准备备用激光、租用激光以弥补损失，或申请长时间保修。
• 使用尽头：当光纤激光接近其使用终点时，失败的几率将大幅增加。即使如此，一台高质量的工业激光器常常能够长时间超出其MTBF。

光纤激光是如何工作的（及其组件）？

光纤激光利用称为激光二极管的泵光。二极管发出光并将其输入光纤电缆。缆中的光学组件随后用于生成特定波长并进行放大。最后，所产生的激光光束被塑形并释放。

以下是每个组件如何执行此操作的步骤。

步骤1. 在激光二极管中产生光

激光二极管将电能转化为光子——即光，从而被泵入光纤电缆。因此，它们也被称为“泵源”。

为了产生光，二极管使用两种不同电荷的半导体：

• 第一种半导体带正电，意味着它需要额外的电子。
• 第二种半导体带负电，意味着它拥有额外或“自由”的电子。

正负电荷相遇时尝试结合，但为了实现这一点，释放的自由电子必须以光子形式释放。当电流通过半导体时，光子的数量迅速增加。

产生的光被输送到光纤电缆中，将被用于生成激光束。

步骤2. 在光纤电缆中引导泵光

在自然界中，光向各个方向传播。光纤电缆利用两个基本组件聚焦光线，以获得激光束：光纤核心和包层。

• 核心是光传播的地方。它由二氧化硅玻璃制成，是光缆中唯一包含稀土元素的部分。
• 包层是包围核心的材料。当光线撞击包层时，它会反弹回核心。这种现象发生在包层提供全内反射的情况下。

全内反射的发生是由于包层的折射率低于核心的折射率。您可以在自然界中看到类似的效果。例如，如果您看沉没的物体，它们看起来会变形。这是因为光从空气传播到水中, 在折射率变化时改变了方向。光从核心传播到包层时，方向的改变将产生反射。

如果没有包层，光将向各个方向传播并从核心中散出。但由于包层的折射率，光线可以保持在核心中并继续传播。

为了可视化光在光纤中的传播，您可以观看此视频：

步骤3. 在激光腔中放大光

当泵光在光纤电缆中传播时，它最终进入激光腔——光缆中的一个小区域，仅在此区域内生成特定波长的光。工程师提到该光纤已“掺杂”，因其与稀土元素混合。

当掺杂光纤中的粒子与光发生相互作用时，它们的电子会升高至更高的能级。当这些电子回落到基本状态时，它们会释放能量，以光子或光的形式释放。工程师称这些现象为“电子激发”和“电子弛豫”。

激光腔还充当共振腔，光在其内部不断反弹，形成所谓的“光纤布拉格光栅”。这导致了“由受激辐射发出的光放大”（LASER）。简而言之，就是在此处理下形成了激光束。

有两种类型的布拉格光栅：

• 第一种充当镜子，将光反射回腔内。
• 第二种充当选择性镜子，允许部分光向外发射，但将其余光反射回腔内。

放大的方式为，当光子撞击其他激发粒子的时候，这些粒子也释放光子；由于布拉格光栅反射光回到腔内，同时也有更多的泵光送入腔内，释放光子数将呈指数级增加。

通过这种受激辐射的发射，激光光被形成。

步骤4. 产生特定波长的激光光

掺杂光纤的波长根据激光腔的掺杂元素而有所不同。这一点至关重要，因为不同波长用于不同应用。掺杂元素可以是铒、钇、钕、铥等。例如，钇掺杂光纤激光器生成1064 nm波长，用于激光标记和激光清洗等应用。

不同的掺杂元素产生不同波长，因为特定粒子释放特定光子。因此，激光腔中生成的光子皆为同一波长。这正是为什么每种类型的光纤激光器仅生成特定波长。

步骤5. 激光束被塑形并释放

从共振腔中发出的光子形成的激光束由于光纤的光导特性而极为平行（或笔直）。事实上，这对大多数激光应用来说是过于平行的。

为了赋予激光束所需的形状，可以使用不同的组件，例如透镜和光束扩展器。例如，我们的光纤激光器配备254 mm焦距的透镜，适用于深入材料的激光应用（如激光雕刻和激光纹理处理）。这是因为短焦距使我们能够将更多能量聚焦在特定区域上，实现更为强烈的激光消融。

其他类型的透镜则提供不同的优势，这也是专家在优化激光时精心挑选的原因。

激光参数是什么？

并非所有激光和激光应用使用相同参数。例如，不同的激光切割和激光标记所需的参数各异。然而，有一些常见于所有类型光纤激光器的参数。以下是您最可能遇到的参数：

波长

激光的波长对应于激光光的电磁辐射级别。通常，光纤激光产生的波长在780 nm到1060 nm之间，该范围处于不可见的红外光谱内。该波长的红外光能与金属、橡胶和塑料等材料良好反应，因此在广泛的材料加工应用中具有实用性。

某些光纤激光器，比如绿激光器会产生可见光，能够良好反应金、铜、硅胶和软玻璃等软材料。绿光纤激光器也用于全息术、疗法和手术等多种应用。

这些激光器需要额外的组件来产生可见光。来自Laser Focus World的约翰·华莱士解释了这是如何完成的：

[...] 市场上实际上没有光纤激光器能够直接从光纤内部产生可见光。然而，可以通过外部频率转换（例如，拉曼频移、频率双倍、频率合成等）获取来自近红外（IR）发射光纤激光的可见光。

摘自Laser Focus World: 光纤激光：可见的光纤激光器可做红、绿、蓝光的工作

操作模式

操作模式是激光束释放的方式。光纤激光器通常以连续波或脉冲模式操作。

在连续波操作模式下，释放的是连续的不间断激光束，理想于激光焊接和激光切割等应用。

而在脉冲操作模式中，短脉冲以设定重复率被释放。脉冲激光束达到更高的峰值功率，特别适合激光雕刻和激光清洗。该模式涉及以下参数：

• 脉冲能量：脉冲能量是每个脉冲中包含的毫焦耳数量。通常每个脉冲包含1 mJ的能量。
• 脉冲持续时间：脉冲持续时间，也称为脉冲长度和脉冲宽度，是每个脉冲的持续时间。更短的脉冲相同能量在较短时间集中，因此达到更高的峰值功率。脉冲持续时间可以用微秒、纳秒、皮秒或飞秒表示。
• 重复率：脉冲重复率是每秒释放的脉冲数量，也称为脉冲频率，用千赫表示。100 kHz相当于每秒100,000个脉冲。

功率

激光功率是激光在一秒内生成的能量量，也被称为“平均功率”和“输出功率”。

脉冲激光也可能指示峰值功率，这是单个脉冲达到的最大能量。例如，100W的脉冲光纤激光器的峰值功率可以轻松达到10,000W。这是因为脉冲激光没有像连续波激光一样均匀分配能量。

光束质量

光束质量指的是光束与所谓“高斯光束”的接近程度。在实际应用中，该参数重要，因为它指示激光光束的聚焦程度。

根据数学计算，完美的光束质量表达为M²=1。聚焦良好的激光束在较小区域集中更多能量。高质量的激光束对于激光雕刻和激光清洗等应用至关重要，而较低的光束质量可能更适用于不希望消融的应用，如激光焊接。

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