受益于半導體技術和晶體學的進步，當涉及到快和超快（納秒到皮秒）高功率、工業級激光系統時，二極管泵浦固態（DPSS）激光系統已經成為業界熟知的產品。目前，這些系統中最普遍的放大材料是Nd：YAG和釩酸鹽（Nd：YVO4），因為它們具有高增益、大熱負荷能力，以及接近單頻的發射光譜。
這些四能級系統通常為端面泵浦棒狀或碟片配置，以確保與泵浦光束接近完美的模式重疊，這反過來又提高了諧振光束對晶體中儲能的提取效率。泵浦二極管的窄譜精確地調諧到釹的808nm吸收線，從而減少了晶體的熱負荷。
二極管陣列的光輸出具有橢圓形截面，使其難以操控。將光直接耦合到光纖容易將泵浦光再導入增益晶體，同時清理陣列輸出的光束形狀，允許多個二極管發射器堆疊獲得更高的泵浦功率。光纖的輸出端通常置于靠近增益晶體，從光纖尖端到晶體平面之間，僅有高反鏡和兩片再成像透鏡。這種光纖耦合不僅改善光束傳輸，也減少了設計上的熱提取約束，因為它將諧振器的較大部分生熱（激光二極管）分離出去。為了管理一些高數值孔徑（NA）光纖輸出的固有后果，光束用透鏡重新縮放，在增益晶體處提供更柔和、更平滑的束腰。
不同類型的打標
對于打標和工業應用，最重要的激光器特性是脈沖能量、重復頻率和干凈的激光橫模。這種激光器的主要目標，是能夠在各種材料表面上快速打標。我們區分幾種類型的打標，如深雕、深色退火，以及在特定表面上的顏色退火。
在納秒脈寬區采用Nd：YAG和Nd：YVO4，需要非常精確的光束性能，以允許在這些打標模式之間的切換。通常情況下，深雕要求完美的高斯光束。這是因為高斯模式是一種傳播時常規輪廓不發生改變的自由空間模式，因此會由于實際光束的聚焦（離焦）使峰值功率發生改變。高斯光束可以在其最強的區域達到峰值功率遠遠高于電離水平，并創建微觀等離子體，可以去除打標材料精確的一部分。與等離子體的相互作用在表面上創建圓形印記，并具有一定深度？？。當光束以特定圖案進行掃描時，由若干脈沖所產生的連接點形成雕刻對象的外觀。
對于具體的激光源，光束被聚焦得越小，單點將越小，并且將需要越多的點來填充相同大小的區域。更小點的尺寸最終受限于光束質量和衍射極限。使用相同的激光源光束質量的打標頭，532nm系統能比1064nm系統打標出更小的點，完全基于衍射極限。
由于諧振腔內的各種效應，輸出通常不是完美的高斯形。這種偏離表示為光束質量（M2）值，對于典型的RMI Laser系統，該值為1.2或更好，其中值為1對應于完美的TEM00高斯模式。重要的是要注意到，在諧振器中，改變泵浦條件可以影響增益晶體中的熱梯度，改變光束的M2值，甚至破壞模式結構。對于一些更高功率的應用，一個用與增益材料相同但未摻雜的晶體作成的端帽，用于耗散熱量、減小熱透鏡效應。該端帽可以與晶體的常規增益部分光學粘合或生長在一起。
脈沖特性
泵浦光束束腰尺寸的選擇，意味著橫單模和多模運行之間的差別。在許多應用中，如納秒脈寬打標和材料加工，縱模不加以控制，因為它們在工藝過程中不起大的作用。然而，單縱模運行可以通過加入基于法布里-珀羅諧振器的帶通濾光片來實現，而該諧振器具有類似于振蕩頻率整數倍的增益帶寬濾波的諧振間隔。具有10~15cm腔長（包含兩塊互相平行的反射鏡）、增益晶體和聲光調制器的典型DPSS Nd：YVO4激光器，可以產生短至10ns、單脈沖能量0.5mJ的1064nm脈沖。該輸出可以通過二次或三次諧波產生（SHG或THG），很容易上轉換分別獲得532nm或355nm的輸出。
RMI Laser公司生產數瓦級的1064nm和532nm系統。較短的波長通常被認為是“冷”打標，并且適用于玻璃、塑料以及其他易裂的類似材料，這是由于使用常規1064nm光束所產生的吸收導致的溫度梯度。較短波長也等同于打標面更小的焦斑尺寸和更高的峰值強度，從而提高了精度和打標質量。
有一種不同類型的激光打標，表面不被激光破壞而是由于氧化改變顏色，稱為退火。典型的深色退火打標要求非常精確的聚焦和能量條件，一項關鍵因素是所使用的光束輪廓。頂帽或幾乎正方形輪廓的光束將創建均勻的強度分布，從而均勻加熱光束照射區域。然后，空氣中的氧可以結合到金屬（通常為鋼）表面改變其顏色（見圖1）。表面的這種重組是無損的，在需要考慮無菌環境的應用中，該方法是首選。
圖1：對峰值功率、打標速度和脈沖個數的精確控制，能夠實現具有大量細節的不銹鋼彩色激光退火（打印）。這里顯示了一些可獲得的顏色（a）和復雜圖案的高印刷質量（b）。
該工藝的少許改變是彩色打標。彩色打標工藝在表面重構中形成氣泡，固化后反射入射環境光的不同波長。采用RMI的內部U-20機器，我們已經在產生這些標記方面獲得了巨大成功，通常需要極佳的穩定性和可調諧性，以在特定材料上獲得一致的結果。
一體化解決問題
雖然市場上的許多DPSS激光器瞄準高脈沖功率，并具有復雜的系統設計，我們選取的方案之一卻是制造非常穩定、低功耗（約1W調Q）、便攜式桌面設備，可以OEM集成。UM-1激光打標機在打標頭中包含了與工作相關的所有組件，它解決了典型DPSS系統長期以來一直存在的一些問題，如泵浦光纖彎曲，以及電子和RF組件熱穩定性引起的激光輸出功率變化，同時其輕重量特性（50磅，包括罩殼）也使其更加便攜。該系統采用空氣冷卻，并且能防塵和抵御各種環境。
系統的穩定性是通過使用所謂的RF控制模式增強的，為實現脈沖功率的改變，泵浦二極管在恒定電流下工作，取而代之的是改變腔內損耗（通過Q開關調制）。改變泵浦電流時，增益晶體內的熱透鏡可以顯著改變。為了提供打標期間改變脈沖能量的靈活性，或者需要晶體中的能量更少（二極管更低的泵浦電流），或者是腔內損耗必須增加。后一種方法提供更穩定的諧振腔，因為在這種調制期間幾何光束傳播幾乎保持恒定。
在UM-1系統中，諧振腔在一側具有稍微彎曲的光學元件，以補償由泵浦光束引起的熱透鏡，并且只有當特定泵浦功率水平達到時最穩定。我們使泵浦二極管保持在該功率水平下，以鎖定腔的物理穩定性。然后，Q開關調制器相應地改變，以完全抑制激射，或允許最高可能的脈沖從諧振器輸出。
腔內Q開關驅動器有邏輯時鐘信號，也有模擬輸入。當模擬線路上的電壓達到最大值時，腔由Q開關實現抑制激射，但間歇電壓使得光束的輸出功率可調諧。這轉化為打標頭的多功能打標能力。一體化的熱包裝使Q開關驅動器恒溫，從而使由于電氣元件的電阻率隨環境溫度的變化所引起的抑制功率漂移最小化。此外，一體化方案最大限度地減少密封點，從而減少了維護。
未來，數瓦的激光打標系統無疑會采用一體化設計，這是由于一體化設計所具備的穩定性、簡便性和在工業生產線中的集成能力。然而，像UM-1一樣的較小系統，會將市場擴大到基于報攤的應用以及綜合小賣部，使激光打標突破工業環境，就像過去的傳統打印技術一樣，走向日常用戶。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
