激光束传输系统的类型及其特点有哪些？

本文介绍了激光束传输系统的两大类别：基于光纤的传输系统和自由空间传输系统。文章详细阐述了自由空间传输系统的工作原理、可用于不同波长的光束传输、以及在真空中传输激光束的特殊挑战。对于光纤传输系统，文中讨论了光纤的传输特性、光纤端面的反射问题以及光纤输出的光束质量问题。文章还介绍了如何通过额外的光学器件和配置来提高系统的灵活性。

目录

1. 激光传输系统的类型
2. 自由空间激光传输系统
3. 光纤激光传输系统

激光传输系统的类型

在激光传输系统中，通常将基于光纤的传输系统与自由空间传输系统区分开来，后者通常通过反射镜来指向。

自由空间激光传输系统

激光器的自由空间输出光束可以通过反射镜来导向。如果使用高质量的介电镜子，这些反射镜可以处理非常高的光功率水平，即使在需要多个反射镜的情况下，其吞吐率（输出功率相对于输入功率的百分比）也可以非常接近100%。

介电反射镜仅在特定的波长范围内有效，因此这种设备通常是为特定类型的激光器制造的。它可能适用于1064纳米和1030纳米的Nd:YAG和Yb:YAG激光器，但可能不适用于例如1.5微米或2微米区域。然而，反射镜臂可用于从紫外线（例如来自准分子激光器）到可见光区域（例如倍频的Yb:YAG）再到红外区域（例如用于CO2激光器）的各种不同波长。

最简单的激光传输系统类型具有固定的光路，例如只涉及一到两个90°偏转，将原本水平的光束向下发送至工件。整个光路被封装在一个密封的管道系统中，最终以激光加工头结束。可以通过更换紧凑的元件来修改路径，但不能在操作过程中进行。

可移动的光路可以通过集成到铰接反射镜臂中的镜子来实现。接头可以设计成只有在施加一定的扭矩时才会移动，否则保持位置不变。组件的重量可以通过臂重、弹簧或其他方式进行补偿，以便更容易地调整位置。为了实现平稳的运动和稳定的光束位置而不出现位置漂移、振动等，需要高精度的光机械设备。对于一些敏感的应用，这个要求是相当苛刻的。

一些用于激光钻孔的传输系统包含快速旋转的光学元件，例如用于环形钻孔或螺旋钻孔。随着激光系统功率的增加，需要越来越高的旋转速度——有时每分钟10万转或甚至更高。这可以通过旋转棱镜来实现。

在某些情况下，光束发散角对于仅使用平面镜来说过大。那么可能需要使用曲面镜或插入一些透镜来限制光束直径的增加。另一种可能是实现一种望远镜，例如用于增加光束直径，使其可以在不过度发散的情况下传输更长距离，同时在聚焦透镜后获得更小的焦点。通过这些措施，原则上可以实现任意长的臂，但通常长度限制在几米以内。无论如何，激光传输系统必须适应激光源的详细光束属性，例如输出光束半径和发散角，准直等。

在光束传输光学的末端，通常会附加一个光学装置——例如，头部件、固定激光加工头或扫描头。通常，光束会被聚焦到应用区域，而在其他情况下，会照亮更大的目标区域。加工头也可能包含用于过程监控的手段。敏感的光学元件通常受到一些保护玻璃（光学窗口）的保护；与更换反射镜、透镜等相比，偶尔更换这些光学保护窗口更容易、更便宜。

一些激光传输系统是可移动的，意味着它们可以灵活地安排从激光器到应用的光路，但它们不是用来在操作过程中移动的。

在真空中进行激光传输带来特殊挑战。例如，可能需要在真空室内部放置可通过外部可访问的旋钮进行对准的导向镜。如果使用纯机械驱动，必须以真空密封的方式实现。或者，可以使用电控手段，例如压电执行器。

光纤激光传输系统

传输激光光束的一种特别灵活的方式是使用光纤，这些光纤通常集成在光纤电缆中。这些电缆大部分由保护材料组成，但也可能配备额外的功能，例如带有光缆监控系统，以便在光纤损坏时快速检测到任何逸出的光。在这种情况下，可能需要迅速关闭激光源，以避免严重的危险。

玻璃光纤，尤其是常见的硅光纤，至少可以在几米（或有时更长距离）上以相对低的传播损失传输光。这在某些波长区域内效果很好，尤其是在许多激光器工作的近红外区域。不幸的是，然而，在紫外线（例如对于准分子激光器）和特别是在远红外区域，很难实现高功率水平。例如，在10.6微米波长传输CO2激光束的能力非常有限。因此，在该领域通常的解决方案是使用铰接臂。

裸露的光纤末端会产生一些菲涅耳反射；这些反射可以通过在光纤末端沉积抗反射涂层来大幅减少。请注意，在高功率水平下，即使只有几个百分点的反射光也会导致强烈的寄生光束，这可能会导致损坏问题。

需要传输的光功率越高，光纤芯的面积就需要越大——这既涉及到光纤本身，也因为具有更高功率的激光源的光束参数产品通常更大。同时，通常需要光纤具有较大的数值孔径（NA），这由折射率对比度决定。大芯径和高NA的组合导致了非常多的引导模式（通常是数千个）。这导致了光纤中的复杂光束演变，即使光功率损失很小，辐射亮度也会大幅下降。

光纤输出通常配备了某种额外的光学设备，例如如上文所述的过程头或扫描头。本质上，该头部件决定了光束的位置和方向，而仅移动光纤电缆可能对光束属性影响不大。然而，并非总是如此，因为光纤的弯曲很容易引起模式耦合，即它会改变光纤模式上的功率分布。这也会影响光纤出口处的光束发散以及光纤输出端强度分布的“重心”。因此，输出光束质量可能相应地恶化。

通过使用光纤对光纤耦合器，可以获得额外的灵活性，这些耦合器可能基于高功率光纤连接器或专门的设置。除了将光从一个光纤引导到另一个光纤外，它们还可能配备额外的功能，例如关于电缆监控或使用吹扫气体。