降功率頻率點是脈衝(chong) 激光器中的一個(ge) 很重要的概念，定義(yi) 為(wei) 特定脈寬下，激光器能夠輸出最大額定平均功率時的重複頻率下限。也就是說，低於(yu) 此頻率點，即使設置功率100%，實際輸出的功率也會(hui) 低於(yu) 額定功率。降功率頻率點的存在是激光器本身的動力學過程決(jue) 定的，準確理解降功率頻率點有助於(yu) 正確指導激光加工工藝實踐。光至科技的MOPA納秒脈衝(chong) 光纖激光器的說明書(shu) 中給出了每個(ge) 脈寬對應的降功率頻率點，仔細閱讀這些數據能幫您更快速地找到工藝優(you) 化的方向。

在脈衝(chong) 激光器中，降功率頻率點的存在主要受限於(yu) 兩(liang) 種物理效應，一是增益介質中的飽和放大效應，限製了可輸出的最大脈衝(chong) 能量，一是非線性效應，限製了可輸出的最大脈衝(chong) 峰值功率。

在降功率頻率點以上，激光放大器的泵浦連續工作，在相鄰脈衝(chong) 間隔（T）內(nei) 激發摻雜稀土離子從(cong) 基態（ground state）躍遷到激發態（excited state），實現泵浦儲(chu) 能，此時沒有信號光提取能量，增益介質內(nei) 儲(chu) 能增加，猶如水壩蓄水，水位升高。信號脈衝(chong) 經過後，通過受激發射過程，誘導處於(yu) 上能級的離子以之相同的波長和方向發射，實現脈衝(chong) 放大，猶如水壩開閘放水，形成洪峰。

圖1 激光受激吸收、自發輻射與(yu) 受激發射過程

如圖1所示，除了泵浦受激吸收和信號受激發射，激發態的離子還會(hui) 通過自發輻射不斷損耗，因此儲(chu) 能不可能無限增加，限製通光方向橫截麵儲(chu) 能密度的物理量稱為(wei) 飽和通量（Fsat），主要由信號激光頻率（v）位置的吸收截麵（ σabs）和發射截麵（σem）決(jue) 定。飽和通量與(yu) 光纖通光麵積（Af）的乘積即為(wei) 飽和能量（Esat）。物理上Esat是使激光增益下降到小信號增益的1/e（~37%）時對應的輸入脈衝(chong) 能量。

當信號脈衝(chong) 能量遠低於(yu) Esat時激光增益高，激光器工作在小信號放大區，大於(yu) Esat時激光增益下降逐漸趨於(yu) 零，激光器工作在飽和放大區。在摻鐿光纖激光器中，1064nm位置的吸收截麵和發射截麵分別為(wei) 0.0064pm^2和0.3978pm^2，對20μm纖芯的光纖，飽和能量約為(wei) 0.6mJ左右，對30μm纖芯的光纖，飽和能量約為(wei) 1.3mJ左右，對100μm這種超大模場光纖，飽和能量則為(wei) 14.5mJ。可見，目前脈衝(chong) 光纖激光器的最大輸出能量基本與(yu) 飽和能量相當。飽和能量之上，脈衝(chong) 仍然可以放大，隻是增益會(hui) 越來越小，慢慢趨近於(yu) 零。以額定功率30W的脈衝(chong) 激光器估算，典型的光光效率為(wei) 60%，即需要的泵浦光功率為(wei) 50W，915nm到1064nm的量子效率為(wei) 86%，則完成2mJ的儲(chu) 能需要的時間為(wei) 2mJ/86%/50W = 46μs。以46μs作為(wei) 脈衝(chong) 周期，則對應的頻率為(wei) 22kHz。

實際上，在MOPA脈衝(chong) 激光器中，一般隻有200ns以上的長脈衝(chong) 才能達到標稱的最大能量輸出，脈寬越短，最大輸出能量越小。同等能量下，脈寬越短，峰值功率越高，而峰值功率高出一定閾值，會(hui) 在光纖中引起顯著的非線性效應，因此MOPA激光器除了限製最大脈衝(chong) 能量，還有一個(ge) 重要的限製就是峰值功率，典型值為(wei) 10kW。常規MOPA光纖激光器中，常見的非線性效應包括自相位調製（SPM）、交叉相位調製（XPM）、四波混頻（FWM）和受激拉曼散射（SRS）等。這些非線性效應的直接後果就是導致光譜展寬，光譜過寬的激光經過未作消色差設計的光學係統，不同波長的焦點位置和焦斑大小都不相同，直接影響加工效果。另外，非線性效應還可能導致激光器的光束質量劣化和物理損傷(shang) 。通過合理優(you) 化激光器設計方案和器件選型，光至科技可以為(wei) 用戶定製遠高於(yu) 常規機型峰值功率的激光器。

圖2 脈衝(chong) 激光器降功率頻率點示意圖

如圖2所示，脈衝(chong) 激光器降功率頻率點的意義(yi) 歸納如下：

（1）激光器最大工作頻率（fmax）以下，降功率頻率點（f0）以上，激光器可以工作在最大平均功率（Pmax），此段輸出的脈衝(chong) 能量（E）等於(yu) Pmax/f，頻率越高，單脈衝(chong) 能量越低。

（2）降功率頻率點以下，激光器可輸出的最高功率（P）隨實際工作重頻近似呈線性下降，即P = Pmax*f/f0，例如，工作重頻降低為(wei) 降功率頻率點的一半，對應的最高輸出功率隻有額定功率的一半，而單脈衝(chong) 能量E = P / f = Pmax / f0，也就是單脈衝(chong) 能量與(yu) 降功率頻率點以上工作時相比基本保持不變。需要指出的是，這種線性隻是近似的，實際的情況可能更為(wei) 複雜，但是作為(wei) 簡單估計是足夠的。

（3）長脈衝(chong) 的降功率頻率點小於(yu) 短脈衝(chong) 對應的降功率頻率，例如光至科技的YFL-PN-GM-80-L型激光器，250ns以上對應的降功率頻率點為(wei) 53kHz，而脈衝(chong) 越短，則降功率頻率點越大。這是因為(wei) 受限於(yu) 峰值功率，長脈衝(chong) 可提取的單脈衝(chong) 能量更高。

實際的工藝優(you) 化過程中，什麽(me) 時候會(hui) 用到降功率頻率點以下的重頻參數呢？簡單來講，就是要脈衝(chong) 能量或者峰值功率而不要過高平均功率的場合，即要單脈衝(chong) 能量或峰值功率保證加工效果，但是又要降低平均功率以避免過度的熱效應。例如，在3C產(chan) 品加工中經常用到的陽極氧化鋁薄板破除氧化層的工藝中，需要一定的脈衝(chong) 能量以破壞氧化層，但是如果平均功率過高，熱效應會(hui) 導致材料變形，背麵形成凸包。

更多的時候，為(wei) 了發揮最大脈衝(chong) 能量的效果，如激光清洗，可以讓激光器直接工作在降功率頻率點。在一些樣品的打樣實驗中，也可以先從(cong) 降功率頻率點開始進行驗證，如果能達到效果或者加工過頭，則適當降低能量，直至找到滿足工藝要求的邊界參數。

除了MOPA脈衝(chong) 激光器，調Q激光器或者超快激光器很少提到降功率頻率點，這是因為(wei) 這類激光器隻有一個(ge) 固定脈寬，並且隻開放降功率頻率點以上的工作頻段。比如，調Q激光器一般工作在30kHz到80kHz，而超快激光器則工作在100kH到1MHz，這裏的頻率下限也接近於(yu) 此類激光器的降功率頻率點。MOPA脈衝(chong) 激光器的重頻可調範圍大，且在降功率頻率點下可以基本保證單脈衝(chong) 能量和峰值功率不變是一個(ge) 重要的優(you) 勢，正確掌握和靈活應用這種性能優(you) 勢有助於(yu) 客戶更好地發揮激光器的性能。