在一個(ge) 平均功率足夠高且每瓦成本控製在1美元，由此立即吸引到客戶並將其用於(yu) 實際工業(ye) 應用的激光器中，通常難以存在兩(liang) 種不同的激光波長，但是摻銩（Tm）光纖激光器恰恰能做到這一點。這種100W級別的激光器最初是開發應用於(yu) 外科手術中的，但現在卻在許多意想不到的其他應用領域有著獨特的功能，本文將介紹這些功能。

　　迄今為(wei) 止的光纖激光器

　　幾乎與(yu) 所有的光纖激光器一樣，高功率千瓦級光纖激光器使用鐿作為(wei) 活性介質。這種激光器最重要的特性是通過將這種活性介質泵入光纖自身來產(chan) 生光束。整個(ge) 光束路徑都包含在一個(ge) 連續的光纖裏。

　　全世界已形成使用光纖激光器和光纖激光技術的行業(ye) 趨勢，平均功率為(wei) 100kW的光纖激光器的交付使用已經在業(ye) 界創造了一個(ge) 了不起的記錄。千瓦級光纖激光器在最大的工業(ye) 激光市場——平板切割市場中的進步，揭示出光纖激光技術的領導者們(men) ，仍然認為(wei) 這個(ge) 市場存在著巨大的增長空間。

　　納秒級脈衝(chong) 光纖激光器在激光打標和微加工行業(ye) 產(chan) 生了巨大的影響，使用活性和惰性光纖部件的皮秒級和飛秒級激光器在高精度激光微加工市場同樣取得了進步。微秒和毫秒級準連續波（QCW）光纖激光器也在快速取代現有的燈泵浦激光技術，用於(yu) 低占空比、高脈衝(chong) 能量焊接和切割操作。同樣地，光纖激光器部件被廣泛用於(yu) 更短波長的激光器。

　　鑭的角色

　　本文的重點是關(guan) 於(yu) 短波紅外（SWIR）光纖激光器波長。值得注意的是，高功率光纖激光器產(chan) 生於(yu) 電信行業(ye) ，所有的早期光纖高摻雜摻鉺光纖放大器（EDFA）設備的標準波長是在1540nm範圍內(nei) 。因此， 領先的光纖激光器製造商從(cong) 未僅(jin) 集中在一個(ge) 波長。

　　也許最好的起點是元素周期表。在工業(ye) 固體(ti) 激光器中作為(wei) 活躍介質的所有稀土元素都是鑭係家庭成員。

　　從(cong) 表1中我們(men) 可以看到，相鄰的鈥、鉺、銩和鐿（Yb）元素具有相似的物理性質和電子結構。這在一定程度上解釋了為(wei) 什麽(me) 它們(men) 都在活躍的光纖中作為(wei) 摻雜物。然而，發射波長並沒有隨著元素周期表中原子序數的增加而增加，其原因超出了本文的範圍，表2 中給出了主要的發射波長。

　　短波紅外（SWIR）和中波紅外（MWIR） 激光器的簡要回顧

　　最近學術界和業(ye) 界對於(yu) SWIR 1.4-2.1μm光譜區的興(xing) 趣與(yu) 日俱增。現在有幾個(ge) 供應商的商業(ye) 光纖激光器、固體(ti) 激光器、直接二極管激光器係統可用。

　　早期激光波長狀況的發展推動力是外科和牙科應用，因為(wei) SWIR波長可以改善吸水特性，將會(hui) 在本文後麵討論。第一個(ge) 開發出的激光器是發射波長為(wei) 2.1μm 的YAG激光器，因為(wei) 吸水特性，光束產(chan) 生的表麵組織會(hui) 消融在人體(ti) 內(nei) ，切口很精確，熱損傷(shang) 區也很小（約 0.5mm）。

　　二十世紀九十年代中期，因為(wei) 電信行業(ye) 的繁榮，以電信行業(ye) 發射波長為(wei) 1.53-1.56μm區域的EDFA為(wei) 基礎的光纖激光器得以加速發展。銩在元素周期表中與(yu) 鐿相鄰，所以這既顯示了摻鐿激光器也顯示了摻銩激光器的前景。這些激光器的發射波長範圍是1.9 -2.1μm，由於(yu) 其他的手術應用如激光碎石術及其他泌尿手術的受歡迎而得以發展。

在這個(ge) 波長區域，Q開關(guan) 或鎖模脈衝(chong) 激光器也被發展作為(wei) 激光驅動粒子加速、更高的諧波生成、低功耗對眼睛安全的激光雷達、中紅外（中IR）頻率生成的泵浦源。通過光學參量振蕩器(OPO)或超連續光譜生成來進行非線性光學轉換。這些脈衝(chong) 源的高峰值功率允許向更高波長進行高效地非線性轉換。在分子傳(chuan) 感應用中，特別希望使用中紅外輻射，由於(yu) 其多種分子的吸收特性，通常被稱為(wei) “分子指紋”區域。

　　在MWIR 2-5μm的區域，能直接產(chan) 生長波長輻射的激光器也變得可用，但應該注意的是，當波長超出2.1μm時， 使用傳(chuan) 統的矽酸鹽玻璃成為(wei) 問題。在這個(ge) 波長範圍內(nei) ，需要使用氟化物、碲化或硫族化物玻璃傳(chuan) 輸光纖。

　　這些波長可以用於(yu) 各種各樣的應用，包括光譜、非侵入性醫療診斷、激光手術刀、遙感、自由空間通信、OPO 泵浦。也有許多與(yu) 國防有關(guan) 的應用包括對抗措施、爆炸危害的遠程檢測、精確製導武器的自動尋向彈頭、隱蔽通信係統都需要各種不同的波長。對於(yu) 這些應用來說，其中一些在寬光譜範圍內(nei) 連續可調的混合光纖/晶體(ti) 激光器已經被開發出來。同時正在為(wei) 這些應用開發二極管激光器，這類激光器使用新的異質結構，在常溫下能夠產(chan) 生的波長最高可為(wei) 2.3μm。

　　安全問題

　　我們(men) 現在來討論利用這些波長來加工時麵臨(lin) 的一個(ge) 非常重要的方麵，在此波長範圍內(nei) 的高功率激光束有時被錯誤地稱為(wei) “人眼安全”。需要著重強調的是，在我們(men) 現在討論的功率和影響級別內(nei) ，沒有所謂的人眼安全的激光束。請記住這個(ge) 波長是專(zhuan) 門開發的，因為(wei) 水對這種波長具有高吸收性，因此必須采取所有相關(guan) 的激光安全預防措施。幸運的是，所有高質量的激光安全護目鏡都具備高光學密度來應對這一波長範圍。

　摻銩光纖激光器

　　調Q開關(guan) 和連續波銩光纖激光器在過去的幾年裏已經發展到更高的平均功率。現在已經有一定數量的供應商能提供平均功率為(wei) 10W的商用脈衝(chong) 激光器。在這個(ge) 功率上，有人可能會(hui) 期待實現特定的燒蝕材料處理應用，比如薄膜劃線或切割，但我不知道有任何公開發布的加工性能的技術信息，也不知道在哪個(ge) 應用上實際上大規模部署了這些激光器。開發的連續波銩光纖激光器是高平均功率的，用於(yu) 一組特定的一般稱為(wei) 腔道泌尿外科學的外科手術，但這些技術的細節都包含在技術醫學文獻中。事實上，可以通過可用的熔融石英玻璃光學器件和光纖來傳(chuan) 輸這個(ge) 波長的激光束， 從(cong) 而讓引入新技術更加容易。現在也容易從(cong) 一些專(zhuan) 業(ye) 供應商那裏獲得特定於(yu) 該波長的光學塗層。在SWIR範圍內(nei) ，反射光學器件不再是問題，因為(wei) 可以像二氧化碳激光器那樣使用金屬鏡子。對於(yu) 工業(ye) 原料處理來說，120W平均功率的可用性讓工業(ye) 激光加工變得觸手可及， 尤其是考慮到與(yu) 1μm激光器相比的非常現實的成本模型。簡單來說，在平均功率約100W的聚焦激光束，光學現象發生迅速，規模大到人類肉眼清晰可見（但是受到保護）。

　使用2μm連續波光纖激光器進行加工

　　水和碳氫化合物分子存在於(yu) 我們(men) 遇到的幾乎每一個(ge) 物理對象，而且肯定存在於(yu) 許多激光加工的材料中。大多數人都會(hui) 同意矽是現代技術中最重要的一種材料。真正令人興(xing) 奮的是，我們(men) 現在有一個(ge) 實用、可靠、成本有效的激光工具，它與(yu) 所有這些材料的相互作用都顯著不同。因此，讓我們(men) 仔細觀察2μm激光在不同的材料組別的影響。

　　準金屬

　　在科學文獻中有充足證據指出， 準金屬的吸收率是波長的強函數，衰減長度顯著增加。圖1表明，矽的吸收係數隨著激光波長從(cong) 1.13μm (1.1eV)增加而逐漸減小。隨著波長進一步增加到2μm，吸收係數迅速下降。試驗證明， 在1940 nm波長時，通過一個(ge) 0.7mm厚的矽晶片，可以將直徑為(wei) 4.2mm的100W 平行激光束50%的激光功率傳(chuan) 輸出來。意料之中的是，由於(yu) 鍺和矽之間的相似性，我們(men) 在鍺上看到類似的結果，而且預期在其他間接能隙材料上的傳(chuan) 輸能看到類似的結果。

　　一項專(zhuan) 利未決(jue) 技術已經通過透射傳(chuan) 輸效果被開發出來，在微機電係統（MEMS）和微流體(ti) 領域，該技術還可以用於(yu) 一係列新的熱過程。其他一些技術， 比如通常被稱為(wei) “直接結合”和“共晶焊接”技術也可以利用這一現象。這些技術尤其適用於(yu) 焊接完全不同的材料，比如陶瓷、玻璃、半導體(ti) 和聚合物，使用一層非常薄的特定金屬連接層，這些金屬沉積到某一接合麵中。激光器可以通過一種高度局域化的方式熔化這一夾層， 從(cong) 而將幾乎任何材料連接到半導體(ti) 或任何透明組件的背後。

　　我們(men) 還證明了，功率密度在通過矽之後可以高到足以在靠近矽背部的另一個(ge) 吸收表麵產(chan) 生燒蝕。應該注意的是， 這適用於(yu) 均質材料，即便是一個(ge) 波長的不均勻性，也可能會(hui) 導致光散射在晶界或夾雜物上。這被認為(wei) 是觀察到的導致材料（如小粒度的陶瓷）吸收的原因， 本質上在1-2μm範圍內(nei) 應該是透明的。

　　金屬

　　金屬是結構材料，存在確定的電子能帶結構，負責有效地吸收金屬表麵的近紅外(NIR)輻射，盡管一些定性的效果表明，與(yu) NIR 1μm輻射相比，在2μm時金屬表麵的反射率可能會(hui) 略微增加，但我們(men) 仍然沒有任何證據來證明效果很明顯。

　　非金屬

　　這種超群材料通常分為(wei) 有機和無機化合物。因為(wei) 在分子和鍵能級開始吸收，加上碳氫化合物和水分子無處不在，下麵的討論將集中在碳氫化合物、C-H鍵、-OH鍵和H2O分子上。

　　有機熱塑性聚合物

　　在工業(ye) 領域被廣泛使用的基於(yu) 碳氫鍵的材料類型中，這組是最引人注目的例子。這些材料的結構與(yu) 金屬相比有很大的差異，當刺激分子鍵的共振頻率時，構成商業(ye) 聚合物的長鏈大分子的段可以通過延伸、彎曲或旋轉進行振蕩，這被認為(wei) 是摻銩激光器波長的例子。2μm光譜範圍的這些波長已經足夠接近基本C-H鍵的第一諧波， C-H鍵在1.7μm時進行拉伸吸收以創建電子振動的激勵。電子振動這個(ge) 詞來源於(yu) 單詞“振動”和“電子”，其含義(yi) 是，在一個(ge) 分子中振動和電子相互作用相互關(guan) 聯和相互影響，以及在較短的波長時不太可能發生化學蝕變。正如我們(men) 在實驗室每次使用摻銩光纖激光器時看到的那樣，電子振動的實際效果是： 幾乎所有空缺聚合物在其他波長的吸收能力遠遠超過1μm波長。如圖2所示，使用激光束的時空控製，通過材料的體(ti) 積進行比爾－朗伯定律吸收，可以高度可控製地熔化幾乎所有的光學透明的熱塑性聚合物。

　　這項新技術消除了激光透射焊接（TTLW）技術的主要局限性，也不需要特定的紅外吸收器，而且在使用TTLW技術時需要特定的紅外吸收器用來加入透明聚合物。

半晶態和非晶態聚合物

　　這是一個(ge) 進一步影響激光加工的重要的聚合物細分類型。激光熔化商業(ye) 聚合物截然不同於(yu) 熔化金屬，其原因在於(yu) 大量不同的聚合物類型、混合成分以及它們(men) 之間吸收特性的巨大差異。然而， 如果這個(ge) 討論僅(jin) 限於(yu) 光學透明或半透明聚合物，這一問題變得更容易理解；很顯然，添加到這些聚合物中的成分，極少會(hui) 影響到吸收特性。接下來變得明顯的區別是非晶態和半晶狀聚合物之間的區別。前文提到的由陶瓷中的材料不均勻性引起的散射效應也是存在的，聚丙烯和聚乙烯這樣的半晶狀聚合物的散射效應更加明顯，因此可能需要更慢的多通道加熱以避免降解，除非材料的厚度小於(yu) 0.5mm。這種技術也可能會(hui) 限製連接的半晶狀聚合物組件的最大厚度。壓克力(PMMA)和聚碳酸酯(PC)這樣的非晶狀聚合物通常會(hui) 使用單通道在更高的升溫速率上熔化和連接，最大厚度已經不是一個(ge) 問題；然而，這種技術似乎更適合應用與(yu) 連接更薄的小型高精度聚合物組件。

　　目前正在與(yu) 伊士曼化工進行合作，來比較激光鍵的強度與(yu) 超聲焊接的強度。被調查的材料是高透明聚酯（COPET），這是一個(ge) 極佳的不含雙酚A的聚碳酸酯替代品，被廣泛用於(yu) 各種消費和醫療設備產(chan) 品。初步結果顯示兩(liang) 者的強度是一樣的，在某些情況下，強度優(you) 於(yu) 超聲波連接技術。

　　聚合物的機械強度很少能與(yu) 金屬相比，因此聚合物的有效連接區域需要很大，其連接強度才能接近母材的強度。再者，如果考慮聚合物的低導熱係數和低熱擴散率，意味著一般需要接近100W的平均功率，才能連接到稍厚的材料（約3mm）上，在實際速度下，典型的焊縫寬度為(wei) 2-3mm。

　　水的吸收特性

　　由於(yu) 基本O-H的伸展振動，液態水的強吸收帶在約1950nm。這足夠接近標準銩光纖激光器的波長，從(cong) 而顯著提高吸收特性。水普遍存在於(yu) 許多有機和無機化合物中，意味著大量各種各樣的材料改善了2μm光譜範圍的吸收特性，參見圖3。顯然，吸收特性的改善很難被量化，因為(wei) 這種-OH鍵可能會(hui) 表現為(wei) 許多不同的形式。很明顯，效果可能是許多過程的基礎，這一過程需要受控製的局部脫水技術。

　　光纖激光器的相關(guan) 性

　　光纖激光器的優(you) 點之一是亮度(或著說是聚焦性能)，這直接決(jue) 定了產(chan) 生用於(yu) 燒蝕激光加工的小型緊密聚焦激光束的能力。對於(yu) 因通常不需要非常小的光斑尺寸而引入的低功率密度熱技術來說，雖然高亮度高斯光束可能被視為(wei) 是有害的，但是更大直徑的多模2微米光纖激光器也是可用的，因為(wei) 他們(men) 是大功率多千瓦近紅外光纖激光器。這些激光器能夠產(chan) 生平頂或偽(wei) 平頂光束， 這反過來又意味著如果需要大的熱治療區域， 可能會(hui) 使用平行無焦點的平行光束， 從(cong) 而大大降低係統複雜性和成本。

　小結

　　現在，激光行業(ye) 都認為(wei) 摻鐿光纖激光器的可伸縮性已被證明，摻銩光纖激光器是基於(yu) 相同的概念，所以向更高功率擴展也變得極為(wei) 可行。如果回顧激光行業(ye) 的50年，我們(men) 看到，與(yu) 其他激光類型一樣，特別是與(yu) 連續波摻鐿光纖激光器一樣，當簡潔可靠的工業(ye) 包裝中能夠使用100W左右的平均功率時，激光會(hui) 突然變得與(yu) 一係列宏觀產(chan) 業(ye) 加工實施相關(guan) ，重要的商業(ye) 應用也開始出現。現在，摻銩光纖激光器也同樣位於(yu) 這一階段。