文/Marin Iliev，Heidi Gardiner；RMI Laser公司

受益于半導(dǎo)體技術(shù)和晶體學(xué)的進(jìn)步，當(dāng)涉及到快和超快（納秒到皮秒）高功率、工業(yè)級(jí)激光系統(tǒng)時(shí)，二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光系統(tǒng)已經(jīng)成為業(yè)界熟知的產(chǎn)品。目前，這些系統(tǒng)中最普遍的放大材料是Nd：YAG和釩酸鹽（Nd：YVO₄），因?yàn)樗鼈兙哂懈咴鲆�、大熱�?fù)荷能力，以及接近單頻的發(fā)射光譜。

這些四能級(jí)系統(tǒng)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(guò)來(lái)又提高了諧振光束對(duì)晶體中儲(chǔ)能的提取效率。泵浦二極管的窄譜精確地調(diào)諧到釹的808nm吸收線，從而減少了晶體的熱負(fù)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(dǎo)入增益晶體，同時(shí)清理陣列輸出的光束形狀，允許多個(gè)二極管發(fā)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(shè)計(jì)上的熱提取約束，因?yàn)樗鼘⒅C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(shù)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(lèi)型的打標(biāo)

對(duì)于打標(biāo)和工業(yè)應(yīng)用，最重要的激光器特性是脈沖能量、重復(fù)頻率和干凈的激光橫模。這種激光器的主要目標(biāo)，是能夠在各種材料表面上快速打標(biāo)。我們區(qū)分幾種類(lèi)型的打標(biāo)，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(qū)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(biāo)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?yàn)楦咚鼓Ｊ绞且环N傳播時(shí)常規(guī)輪廓不發(fā)生改變的自由空間模式，因此會(huì)由于實(shí)際光束的聚焦（離焦）使峰值功率發(fā)生改變。高斯光束可以在其最強(qiáng)的區(qū)域達(dá)到峰值功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電離水平，并創(chuàng)建微觀等離子體，可以去除打標(biāo)材料精確的一部分。與等離子體的相互作用在表面上創(chuàng)建圓形印記，并具有一定深度​​。當(dāng)光束以特定圖案進(jìn)行掃描時(shí)，由若干脈沖所產(chǎn)生的連接點(diǎn)形成雕刻對(duì)象的外觀。

對(duì)于具體的激光源，光束被聚焦得越小，單點(diǎn)將越小，并且將需要越多的點(diǎn)來(lái)填充相同大小的區(qū)域。更小點(diǎn)的尺寸最終受限于光束質(zhì)量和衍射極限。使用相同的激光源光束質(zhì)量的打標(biāo)頭，532nm系統(tǒng)能比1064nm系統(tǒng)打標(biāo)出更小的點(diǎn)，完全基于衍射極限。

由于諧振腔內(nèi)的各種效應(yīng)，輸出通常不是完美的高斯形。這種偏離表示為光束質(zhì)量（M²）值，對(duì)于典型的RMI Laser系統(tǒng)，該值為1.2或更好，其中值為1對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)。對(duì)于一些更高功率的應(yīng)用，一個(gè)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(yīng)。該端帽可以與晶體的常規(guī)增益部分光學(xué)粘合或生長(zhǎng)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(yùn)行之間的差別。在許多應(yīng)用中，如納秒脈寬打標(biāo)和材料加工，縱模不加以控制，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠に囘^(guò)程中不起大的作用。然而，單縱模運(yùn)行可以通過(guò)加入基于法布里-珀羅諧振器的帶通濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)，而該諧振器具有類(lèi)似于振蕩頻率整數(shù)倍的增益帶寬濾波的諧振間隔。具有10~15cm腔長(zhǎng)（包含兩塊互相平行的反射鏡）、增益晶體和聲光調(diào)制器的典型DPSS Nd：YVO₄激光器，可以產(chǎn)生短至10ns、單脈沖能量0.5mJ的1064nm脈沖。該輸出可以通過(guò)二次或三次諧波產(chǎn)生（SHG或THG），很容易上轉(zhuǎn)換分別獲得532nm或355nm的輸出。

RMI Laser公司生產(chǎn)數(shù)瓦級(jí)的1064nm和532nm系統(tǒng)。較短的波長(zhǎng)通常被認(rèn)為是“冷”打標(biāo)，并且適用于玻璃、塑料以及其他易裂的類(lèi)似材料，這是由于使用常規(guī)1064nm光束所產(chǎn)生的吸收導(dǎo)致的溫度梯度。較短波長(zhǎng)也等同于打標(biāo)面更小的焦斑尺寸和更高的峰值強(qiáng)度，從而提高了精度和打標(biāo)質(zhì)量。

有一種不同類(lèi)型的激光打標(biāo)，表面不被激光破壞而是由于氧化改變顏色，稱(chēng)為退火。典型的深色退火打標(biāo)要求非常精確的聚焦和能量條件，一項(xiàng)關(guān)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(chuàng)建均勻的強(qiáng)度分布，從而均勻加熱光束照射區(qū)域。然后，空氣中的氧可以結(jié)合到金屬（通常為鋼）表面改變其顏色（見(jiàn)圖1）。表面的這種重組是無(wú)損的，在需要考慮無(wú)菌環(huán)境的應(yīng)用中，該方法是首選。

圖1：對(duì)峰值功率、打標(biāo)速度和脈沖個(gè)數(shù)的精確控制，能夠?qū)崿F(xiàn)具有大量細(xì)節(jié)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(fù)雜圖案的高印刷質(zhì)量（b）。

該工藝的少許改變是彩色打標(biāo)。彩色打標(biāo)工藝在表面重構(gòu)中形成氣泡，固化后反射入射環(huán)境光的不同波長(zhǎng)。采用RMI的內(nèi)部U-20機(jī)器，我們已經(jīng)在產(chǎn)生這些標(biāo)記方面獲得了巨大成功，通常需要極佳的穩(wěn)定性和可調(diào)諧性，以在特定材料上獲得一致的結(jié)果。

一體化解決問(wèn)題

雖然市場(chǎng)上的許多DPSS激光器瞄準(zhǔn)高脈沖功率，并具有復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們選取的方案之一卻是制造非常穩(wěn)定、低功耗（約1W調(diào)Q）、便攜式桌面設(shè)備，可以OEM集成。UM-1激光打標(biāo)機(jī)（見(jiàn)圖2）在打標(biāo)頭中包含了與工作相關(guān)的所有組件，它解決了典型DPSS系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)一直存在的一些問(wèn)題，如泵浦光纖彎曲，以及電子和RF組件熱穩(wěn)定性引起的激光輸出功率變化，同時(shí)其輕重量特性（50磅，包括罩殼）也使其更加便攜。該系統(tǒng)采用空氣冷卻，并且能防塵和抵御各種環(huán)境。

圖2：UM-1激光系統(tǒng)的典型桌面設(shè)置。與打標(biāo)工藝相關(guān)的所有組件封閉在打標(biāo)頭內(nèi)（圖左），只需要單根常規(guī)電纜連接電源（圖右）。無(wú)典型的控制器/打標(biāo)頭設(shè)置節(jié)省空間，同時(shí)為集成優(yōu)化了模塊。

系統(tǒng)的穩(wěn)定性是通過(guò)使用所謂的RF控制模式增強(qiáng)的，為實(shí)現(xiàn)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(nèi)損耗（通過(guò)Q開(kāi)關(guān)調(diào)制）。改變泵浦電流時(shí)，增益晶體內(nèi)的熱透鏡可以顯著改變。為了提供打標(biāo)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(nèi)損耗必須增加。后一種方法提供更穩(wěn)定的諧振腔，因?yàn)樵谶@種調(diào)制期間幾何光束傳播幾乎保持恒定。

在UM-1系統(tǒng)中，諧振腔在一側(cè)具有稍微彎曲的光學(xué)元件，以補(bǔ)償由泵浦光束引起的熱透鏡，并且只有當(dāng)特定泵浦功率水平達(dá)到時(shí)最穩(wěn)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(wěn)定性。然后，Q開(kāi)關(guān)調(diào)制器相應(yīng)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(nèi)Q開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器有邏輯時(shí)鐘信號(hào)，也有模擬輸入。當(dāng)模擬線路上的電壓達(dá)到最大值時(shí)，腔由Q開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)抑制激射，但間歇電壓使得光束的輸出功率可調(diào)諧。這轉(zhuǎn)化為打標(biāo)頭的多功能打標(biāo)能力。一體化的熱包裝使Q開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器恒溫，從而使由于電氣元件的電阻率隨環(huán)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(diǎn)，從而減少了維護(hù)。

未來(lái)，數(shù)瓦的激光打標(biāo)系統(tǒng)無(wú)疑會(huì)采用一體化設(shè)計(jì)，這是由于一體化設(shè)計(jì)所具備的穩(wěn)定性、簡(jiǎn)便性和在工業(yè)生產(chǎn)線中的集成能力。然而，像UM-1一樣的較小系統(tǒng)，會(huì)將市場(chǎng)擴(kuò)大到基于報(bào)攤的應(yīng)用以及綜合小賣(mài)部，使激光打標(biāo)突破工業(yè)環(huán)境，就像過(guò)去的傳統(tǒng)打印技術(shù)一樣，走向日常用戶。