光纤激光器：7 大优势与区别

当前全球激光市场的流行趋势是什么？如果您经营着一家专注于材料加工的工厂，那么您的第一个答案可能就是光纤激光器。当然，您也可能计划订购一台光纤激光器来升级您的生产线。但等等，光纤激光器有什么必知事项吗？在本文中，我们将探讨光纤激光器的 7 大优势。我们还将把它们与其他常用激光类型进行比较。以下是我们将介绍的内容：

光纤激光器的 7 大优势
高效增益介质
通过光纤布拉格光栅实现智能反馈回路
坚固的光腔
结构紧凑
高输出功率
出色的光束质量
可靠性高
光纤激光器与其他激光器的区别是什么？
概述

光纤是光纤激光器的增益介质和谐振器

光纤激光器的 7 大优势
在购买光纤激光器之前，有必要明确它与其他激光器的不同之处。我们知道，一台可工作的激光器需要三个组件：用于能量供应的泵浦源、增益介质和光学谐振器。对于光纤激光器来说，虽然泵浦源的选择不外乎激光二极管和其他光纤激光器，但增益介质和光学谐振器的设计却有着本质的不同。这种独特的结构带来了七大优势：

简单光纤激光腔示意图。一根数米长的光纤被包裹在端面反射镜和输出耦合器之间，形成激光腔。由 Catherine Wandera 提供，见《材料加工中的光纤激光器》一书

1. 高效增益介质
与其他激光器不同，光纤激光器是在掺有稀土金属离子（如镱（Yb3+）、钕（Nd3+）、铥（Tm3+）、镨（Pr3+）或铒（Er3+））的光纤中实现光放大的。这些激光活性离子可以吸收大部分泵浦光，然后通过受激发射发出具有特定频率的光子。与其他类型的激光器相比，光纤固有的柔性结构可实现更长的增益距离。这就提供了很高的光学增益。

2. 通过光纤布拉格光栅实现智能反馈回路
光纤激光器中的光反馈通常由光纤布拉格光栅提供，而不是使用传统的介质反射镜，光纤布拉格光栅是一系列具有不同折射率的玻璃纤维以周期性方式熔接而成。这些周期性结构可以反射特定波长的激光束，因此成为光纤激光器的光腔。因此，对于光纤激光器来说，光腔实际上是在增益介质内部。

3. 坚固的光腔
在谈论光纤激光器时，有一个常见的误区需要避免，那就是光纤激光器并不等同于有光纤的激光器。例如，在光纤耦合二极管激光器中，光纤仅用于光束传输目的，并不涉及受激发射的物理原理。因此，尽管光纤确实与激光系统耦合，但它们仍然不具备光纤激光器的所有优异品质。独特的集成光腔以盘绕光纤作为增益介质，创造了一个坚固而稳定的光腔。

4. 结构紧凑
光纤激光器的主要优势之一是布局紧凑。与同类产品相比，在输出功率相当的情况下，光纤激光器的占地面积要小得多。这是因为光纤是可弯曲的，可以盘绕在紧凑的空间内。此外，光纤的灵活性还使得进一步定制光路成为可能，从而为各种特定情况提供了更大的设计自由度。

5. 高输出功率
由于光纤激光器中的增益介质非常纤细柔韧，因此光纤可以长达数公里，从而达到非常高的泵浦光增益。此外，由于光纤的表面积与体积比很大，光纤激光器产生的热量可以有效地散发。因此，光纤激光器无需复杂的冷却系统就能以千瓦级持续工作。

6. 出色的光束质量
通常，激光光束质量是指光束聚焦的紧密程度，用 M2 系数来量化，理想情况下，光束质量最高时，M2 系数等于 1。在光纤激光器中，单模光纤通常具有最佳的光束性能，因此应用广泛。例如，在激光切割和焊接中，高光束质量允许工件与聚焦物体之间的距离较长。这种配置可以保护光学器件不受碎片和烟雾的影响。最重要的是，缩小光束直径不仅可以实现更精细的结构制造，还可以使用更小、更便宜的光学元件。

7. 高可靠性
光纤激光器可靠性高，几乎无需维护，而且由于光路封闭在保护性包层内，激光束不易受到外部干扰。因此，光纤激光器在高温和振动工作条件下通常具有出色的稳定性。

光纤激光器与其他激光器的区别是什么？
虽然光纤激光器的优点很多，但重要的是要了解它们在竞争中的优势。我们将在下文中看到，光纤激光器的优越性取决于应用设置，在某些情况下，光纤激光器的竞争对手可能更适合使用光纤激光器。

光纤激光器与块状激光器
块状激光器是一种使用掺杂块状晶体或玻璃作为增益介质的固体激光器，Nd：YAG 激光器和钛蓝宝石激光器就是两个很好的例子。一般来说，光纤激光器的规格优于块状激光器，如下图所示：

使用 Nd:YAG 二极管泵浦固体激光器进行基准测试。(由 Laser Photonics 提供）。

不过，这并不意味着体激光器对材料加工没有价值。例如，在波长为 700-1000 nm 的区域，任何光纤激光器都无法替代可调谐钛蓝宝石激光器。此外，体激光器可以达到更高的峰值功率，因此更适合加工材料。最重要的是，光纤激光器系统可能需要特殊的组件和复杂的使用方法，其较高的成本可能不利于经济效益。

光纤激光器与 CO2 激光器
虽然两种激光器都非常适合切割材料，但它们的功能侧重点实际上是不同的。一方面，CO2 激光器是非常适合切割塑料等非金属材料的工具。它们的效率相对较高，光束质量好，因此是该行业使用最广泛的激光类型。

激光切割机在切割金属板。由 Nukon 提供。

另一方面，光纤激光器近年来在切割金属板（主要是不锈钢）方面取得了重大进展，这主要归功于其切割速度快，在功率相当的情况下，其切割速度通常是二氧化碳激光器的 2-3 倍。一般来说，在切割厚度为 0.25 英寸或更薄的金属时，值得考虑使用光纤激光器进行批量生产，但当金属厚度超过 0.375 英寸时，二氧化碳激光器仍具有速度优势和出色的切割质量。因此，在材料切割方面，光纤激光器不太可能完全取代 CO2 激光器。

光纤激光器与直接二极管激光器
长期以来，二极管激光器一直被指责为输出功率低、光束质量差。尽管如此，直接二极管激光器技术的最新研究进展显示了其作为材料加工 "大腕 "的潜力。与光纤激光器相比，直接二极管激光器的切割速度可提高 10%-20%。此外，直接二极管激光器还能切割较厚的金属，并获得较小的表面粗糙度。最重要的是，它们还适用于加工铜等高反射材料。相比之下，光纤激光器在这方面的功效有限。不过，光纤激光器在光束质量和技术成熟度方面仍具有巨大优势。这使它们成为宏观材料加工的最佳选择。

总结
光纤激光器显然已经彻底改变了激光行业。与其他类型的激光器相比，光纤激光器具有许多关键优势，为提高生产效率开辟了道路。高效增益介质和集成激光腔的选择提供了强大而稳定的输出性能。其紧凑的占地面积是 OEM/集成应用的一个关键卖点。不过，它们的优越性在很大程度上取决于应用设置，同时还要考虑到其输出波长和有限的可调谐性。