一款獨(dú)特的單片裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種高度穩(wěn)定的二極管泵浦固態(tài)激光光源，它能夠獲得比光纖激光器更寬的光譜，因此更適合于打標(biāo)應(yīng)用。
光纖激光器技術(shù)已經(jīng)從2002年的“縫隙角色”（niche play）成長(zhǎng)為今天的主流激光器技術(shù)，然而二極管泵浦固態(tài)激光器的發(fā)展又如何呢？盡管在過(guò)去的5年間，二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器可能在性能指標(biāo)方面沒(méi)有太大改善，但是其在制造工藝上的進(jìn)步，卻對(duì)它們的性能產(chǎn)生了積極的影響。
美國(guó)相干公司開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的裝配機(jī)制，用于裝配DPSS激光器諧振腔中實(shí)現(xiàn)必需的性能和成本特征的光學(xué)元件，同時(shí)還開(kāi)發(fā)了機(jī)器輔助的裝配方法，用以實(shí)現(xiàn)單元到單元的高度一致性（見(jiàn)圖1）。一般的工業(yè)激光打標(biāo)應(yīng)用要求光源結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，并且在瞄準(zhǔn)穩(wěn)定性、高光束質(zhì)量（低M2值）以及低噪聲方面具有較高的性能。在很寬的工作溫度范圍以及苛刻的工業(yè)制造環(huán)境中，激光器必須要十分可靠地保持上述性能。而且，打標(biāo)應(yīng)用對(duì)成本極其敏感，因此用于打標(biāo)的激光器的制造成本必須要低廉。
圖1. 按照PermAlign生產(chǎn)技術(shù)，二極管泵浦固態(tài)激光器諧振腔中的每一個(gè)光
學(xué)元件都牢固地焊接在陶瓷基底上。
光纖激光器：勞動(dòng)密集型
光纖激光器完全是由光纖——又長(zhǎng)又細(xì)的玻璃纖維制成的。這既是長(zhǎng)處也是缺點(diǎn)。由于光纖本身僅比人的頭發(fā)略粗，因此光纖激光器的制造過(guò)程中大部分工作是對(duì)光纖的操作和封裝。
從基本結(jié)構(gòu)上看，光纖激光器包括兩個(gè)光纖布拉格光柵和一段增益光纖，此外還需要將光束從多模二極管光源耦合到增益光纖中，這通常是通過(guò)增加一個(gè)叫做合束器的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這五個(gè)光學(xué)元件——光纖布拉格光柵、合束器、增益光纖、合束器以及另一個(gè)光纖布拉格光柵要熔接在一起（見(jiàn)圖2）。
圖2. 光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)包括幾段光纖，以及將光束從泵浦激光二
極管耦合到光纖中的合束器。
如今，這種光纖激光器（尤其是用于打標(biāo)的激光器）的結(jié)構(gòu)可以采取另外一種叫做主振功率放大器（MOPA）的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)的起始端不是光纖布拉格光柵，而是一個(gè)單模激光二極管，后面是一級(jí)或二級(jí)功率放大器。這些放大器是由與第一個(gè)例子中相同的增益光纖與合束器構(gòu)成的。
為了使這兩種基本結(jié)構(gòu)在工業(yè)應(yīng)用中足夠穩(wěn)固，激光器的封裝就成了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。應(yīng)力和熱隔離是光纖激光器系統(tǒng)中要仔細(xì)控制的關(guān)鍵因素。應(yīng)力可能引起光纖折射率的改變，從而影響激光輸出模式；而熱隔離對(duì)于制造光纖包層和熔接節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。
由于光纖又細(xì)又長(zhǎng)，在發(fā)射激光的過(guò)程中釋放出來(lái)的任何熱量都會(huì)散布到整根光纖。因此，就增益光纖來(lái)說(shuō)，將光纖纏繞在線軸上或者把光纖埋入熱復(fù)合物中，以便于將熱量從整根光纖上移走就變得非常必要。對(duì)于MOPA結(jié)構(gòu)，盡管它的起始端是一個(gè)熔接在放大器上的單模二極管激光器，放大器的增益光纖也必須以這樣的方式進(jìn)行熱隔離。
光纖激光器最令人驚嘆的特征不是它的性能，而是上面所描述的所有步驟——光纖被纏繞到封裝包中，以及激光器的裝配，都是由手工完成的。通常在低功率光纖激光器中，成本的主要部分不是二極管，而是裝配和機(jī)械部件?，F(xiàn)在還很難想象未來(lái)光纖激光器在裝配過(guò)程中不再需要大量的手工操作。
DPSS激光器：?jiǎn)纹b配，機(jī)器組裝
二極管泵浦固態(tài)調(diào)Q激光器的諧振腔由反射鏡、二向色濾光片等多個(gè)分立的光學(xué)元件構(gòu)成。傳統(tǒng)上這些腔內(nèi)光學(xué)元件都被固定在可以通過(guò)螺桿傳動(dòng)進(jìn)行角度調(diào)整的底座上。激光器一經(jīng)準(zhǔn)直，這些調(diào)整螺桿就被鎖定在各自的位置上。對(duì)于科研用激光器，用戶通常希望隨時(shí)都能夠?qū)χC振腔進(jìn)行重新優(yōu)化，那么上述方法可以說(shuō)是再好不過(guò)了。但是這對(duì)于工業(yè)用激光器，特別是當(dāng)激光器與易受溫度和濕度變化影響、以及振動(dòng)壓力影響的設(shè)備結(jié)合使用時(shí)，上述方法就不算理想了?？烧{(diào)底座會(huì)隨溫度變化或機(jī)械振動(dòng)而發(fā)生移動(dòng)，并且生產(chǎn)、裝配和準(zhǔn)直的成本都較高，即使簡(jiǎn)單的底座也要包含20個(gè)獨(dú)立的部件。
幾年以前，相干公司開(kāi)發(fā)出了制造OEM激光器的一種完全不同的方法，它可以直接消除上面提到的缺點(diǎn)。這是一種稱為PermAlign技術(shù)的系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用。在這種系統(tǒng)中，每個(gè)光學(xué)元件都通過(guò)低溫焊料直接固定在一個(gè)低膨脹系數(shù)的陶瓷基底上。在焊接這些光學(xué)元件之前，每個(gè)基底都被牢牢地固定在激光器的底板上。
由于不存在可以移動(dòng)的分立部件，因此這種單片集成的方法不會(huì)因?yàn)橹車h(huán)境的抖動(dòng)或震動(dòng)而發(fā)生移動(dòng)。此外，該技術(shù)也沒(méi)有采用可能釋放氣體的塑料或者橡膠。激光器一經(jīng)廠家校準(zhǔn)，激光頭就會(huì)被永久封閉，使激光器免受灰塵、蒸汽和濕氣的影響。這種裝配類型能夠?qū)崿F(xiàn)成本低廉的低功率激光器，因?yàn)槊總€(gè)底座只是帶有少量焊料的一小塊陶瓷。同樣重要的是，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器輔助裝配，光學(xué)元件的定位和焊接是根據(jù)光束分析儀器反饋的信息完成的，光束分析儀器包括一臺(tái)光束分析儀和一個(gè)功率計(jì)（見(jiàn)圖3）。
圖3. 除了較高的穩(wěn)定性以外，PermAlign技術(shù)也適用于印刷電路板工業(yè)
中發(fā)展起來(lái)的機(jī)器分揀和定位裝配。
適于打標(biāo)的穩(wěn)定性能
盡管DPSS激光器的傳統(tǒng)制造技術(shù)可以獲得較低的M2輸出，但是卻無(wú)法獲得如今PermAlign技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的激光器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、性能的一致性以及體積的小型化。雖然光纖激光器可以在成本上與PermAlign技術(shù)相匹敵，并且可以實(shí)現(xiàn)單元到單元的一致性，但是這也要取決于產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)。另外，盡管光纖激光器在瞄準(zhǔn)穩(wěn)定性和噪聲方面與PermAlign技術(shù)相當(dāng)，但是光纖激光器的光束傳輸系統(tǒng)中使用的光纖是安裝在金屬框架內(nèi)的，所以其穩(wěn)定性和噪聲性能將會(huì)受到影響。例如，與振蕩器連接的出射光纖是通過(guò)長(zhǎng)度通常為3m的可變形長(zhǎng)金屬管獲得反饋的。此外，振蕩器采用的摻釔光纖的吸收特性隨著溫度的變化而發(fā)生改變，因此輸出噪聲會(huì)隨著溫度的變化而提高5倍。
利用PermAlign技術(shù)生產(chǎn)的紅外波段激光器還具有適于打標(biāo)的另外一些優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)镈PSS激光器可以獲得很好的光束質(zhì)量和很高的峰值功率。特別地，DPSS激光器采用一種自由空間諧振腔，具有半球形的振蕩器結(jié)構(gòu)。這種類型的諧振腔是產(chǎn)生TEM00模和較低M2值所必需的。作為一個(gè)真正的點(diǎn)光源，這是激光束最容易的聚焦形式，它聚焦以后的光斑尺寸僅受限于光束傳輸光學(xué)元件中的衍射和像差。相比之下，光纖激光器則不能作為一個(gè)點(diǎn)光源，并且光束的特征要受到纖芯直徑和光纖數(shù)值孔徑的限制。此外，光纖激光器要想獲得最大的峰值功率（像脈沖激光器那樣高），就必須要用更大的纖芯來(lái)減小損傷和非線性閾值，因?yàn)檫@兩個(gè)因素都與面積有關(guān)，并且隨峰值功率呈指數(shù)增長(zhǎng)。利用PermAlign技術(shù)生產(chǎn)的激光器可以獲得小于1.3的M2值，而典型的光纖激光器的M2值大約為2，這就意味著對(duì)于相同的光束傳輸元件，光纖激光器的聚焦光斑直徑將近前者的2倍，而光斑面積則為前者的4倍。
這些對(duì)于打標(biāo)有什么影響呢？首先，小的光斑尺寸可以實(shí)現(xiàn)高分辨率或微型打標(biāo)，從而具有更寬的應(yīng)用光譜。對(duì)于大量的工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，更重要的是，較高的光束質(zhì)量可以增大激光器與打標(biāo)表面的工作距離，以及擴(kuò)大打標(biāo)區(qū)域的面積。對(duì)于那些打標(biāo)窗口很寬、或者作用于不規(guī)則形狀的部件而需要改變工作距離的情況，這一點(diǎn)是非常有價(jià)值的。
不管打標(biāo)對(duì)象是軟材料還是硬材料，將激光束聚焦到最小可能尺寸的能力、并支持高分辨率打標(biāo)，這一點(diǎn)可以用來(lái)加工二維條形碼或Logo圖等復(fù)雜的高容量標(biāo)記，或者將混合符號(hào)串縮小。
歷史上在激光器的制造過(guò)程中，需要熟練的技術(shù)工人對(duì)其進(jìn)行無(wú)數(shù)次調(diào)整使其便于調(diào)節(jié)和優(yōu)化。之后我們便看到了注重光束質(zhì)量和功率的光纖激光器的出現(xiàn)，但是卻很少聽(tīng)說(shuō)它們?cè)谥圃爝^(guò)程中的復(fù)雜性和勞動(dòng)密集性。但是隨著激光器日益滲透到工業(yè)應(yīng)用中，它們必須經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)使其在壽命之內(nèi)提供最佳的輸出特性，而只需最小限度的維護(hù)與調(diào)節(jié)，甚至不需要維護(hù)與調(diào)節(jié)。這對(duì)于保持激光器的成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)以及進(jìn)一步拓展市場(chǎng)極為重要。
Stuart Woods，Coherent公司業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)主任
Tobias Pfanz，Coherent公司產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理
