如圖1所示，除了泵浦受激吸收和信號(hào)受激發(fā)射，激發(fā)態(tài)的離子還會(huì)通過自發(fā)輻射不斷損耗，因此儲(chǔ)能不可能無限增加，限制通光方向橫截面儲(chǔ)能密度的物理量稱為飽和通量（Fsat），主要由信號(hào)激光頻率（v）位置的吸收截面（ σabs）和發(fā)射截面（σem）決定。飽和通量與光纖通光面積（Af）的乘積即為飽和能量（Esat）。物理上Esat是使激光增益下降到小信號(hào)增益的1／e（～37％）時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入脈沖能量。

 

 

 

當(dāng)信號(hào)脈沖能量遠(yuǎn)低于Esat時(shí)激光增益高，激光器工作在小信號(hào)放大區(qū)，大于Esat時(shí)激光增益下降逐漸趨于零，激光器工作在飽和放大區(qū)。在摻鐿光纖激光器中，1064nm位置的吸收截面和發(fā)射截面分別為0.0064pm2和0.3978pm2，對(duì)20μm纖芯的光纖，飽和能量約為0.6mJ左右，對(duì)30μm纖芯的光纖，飽和能量約為1.3mJ左右，對(duì)100μm這種超大模場(chǎng)光纖，飽和能量則為14.5mJ。可見，目前脈沖光纖激光器的最大輸出能量基本與飽和能量相當(dāng)。飽和能量之上，脈沖仍然可以放大，只是增益會(huì)越來越小，慢慢趨近于零。以額定功率30W的脈沖激光器估算，典型的光光效率為60％，即需要的泵浦光功率為50W，915nm到1064nm的量子效率為86％，則完成2mJ的儲(chǔ)能需要的時(shí)間為2mJ／86％／50W ＝ 46μs。以46μs作為脈沖周期，則對(duì)應(yīng)的頻率為22kHz。

 

實(shí)際上，在MOPA脈沖激光器中，一般只有200ns以上的長(zhǎng)脈沖才能達(dá)到標(biāo)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(huì)在光纖中引起顯著的非線性效應(yīng)，因此MOPA激光器除了限制最大脈沖能量，還有一個(gè)重要的限制就是峰值功率，典型值為10kW。

 

常規(guī)MOPA光纖激光器中，常見的非線性效應(yīng)包括自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、四波混頻（FWM）和受激拉曼散射（SRS）等。這些非線性效應(yīng)的直接后果就是導(dǎo)致光譜展寬，光譜過寬的激光經(jīng)過未作消色差設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，不同波長(zhǎng)的焦點(diǎn)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(yīng)還可能導(dǎo)致激光器的光束質(zhì)量劣化和物理損傷。通過合理優(yōu)化激光器設(shè)計(jì)方案和器件選型，光至科技可以為用戶定制遠(yuǎn)高于常規(guī)機(jī)型峰值功率的激光器。

 

 

圖2 脈沖激光器降功率頻率點(diǎn)示意圖

 

如圖2所示，脈沖激光器降功率頻率點(diǎn)的意義歸納如下：

 

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

 

（2）降功率頻率點(diǎn)以下，激光器可輸出的最高功率（P）隨實(shí)際工作重頻近似呈線性下降，即P ＝ Pmax＊f／f0，例如，工作重頻降低為降功率頻率點(diǎn)的一半，對(duì)應(yīng)的最高輸出功率只有額定功率的一半，而單脈沖能量E ＝ P ／ f ＝ Pmax ／ f0，也就是單脈沖能量與降功率頻率點(diǎn)以上工作時(shí)相比基本保持不變。需要指出的是，這種線性只是近似的，實(shí)際的情況可能更為復(fù)雜，但是作為簡(jiǎn)單估計(jì)是足夠的。

 

（3）長(zhǎng)脈沖的降功率頻率點(diǎn)小于短脈沖對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的降功率頻率點(diǎn)為53kHz，而脈沖越短，則降功率頻率點(diǎn)越大。這是因?yàn)槭芟抻诜逯倒β?，長(zhǎng)脈沖可提取的單脈沖能量更高。

 

實(shí)際的工藝優(yōu)化過程中，什么時(shí)候會(huì)用到降功率頻率點(diǎn)以下的重頻參數(shù)呢？簡(jiǎn)單來講，就是要脈沖能量或者峰值功率而不要過高平均功率的場(chǎng)合，即要單脈沖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(yīng)。例如，在3C產(chǎn)品加工中經(jīng)常用到的陽極氧化鋁薄板破除氧化層的工藝中，需要一定的脈沖能量以破壞氧化層，但是如果平均功率過高，熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料變形，背面形成凸包。

 

更多的時(shí)候，為了發(fā)揮最大脈沖能量的效果，如激光清洗，可以讓激光器直接工作在降功率頻率點(diǎn)。在一些樣品的打樣實(shí)驗(yàn)中，也可以先從降功率頻率點(diǎn)開始進(jìn)行驗(yàn)證，如果能達(dá)到效果或者加工過頭，則適當(dāng)降低能量，直至找到滿足工藝要求的邊界參數(shù)。

 

除了MOPA脈沖激光器，調(diào)Q激光器或者超快激光器很少提到降功率頻率點(diǎn)，這是因?yàn)檫@類激光器只有一個(gè)固定脈寬，并且只開放降功率頻率點(diǎn)以上的工作頻段。比如，調(diào)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，這里的頻率下限也接近于此類激光器的降功率頻率點(diǎn)。MOPA脈沖激光器的重頻可調(diào)范圍大，且在降功率頻率點(diǎn)下可以基本保證單脈沖能量和峰值功率不變是一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)，正確掌握和靈活應(yīng)用這種性能優(yōu)勢(shì)有助于客戶更好地發(fā)揮激光器的性能。