连续光纤激光器

连续光纤激光器是一种以掺有稀土元素（如镱、铒、钕等）的光纤作为增益介质的激光器。其名称中的“连续”是指它能够输出连续不断、功率稳定的激光光束，与脉冲激光器（输出间隔的、高峰值功率的激光脉冲）相对应。

它是工业激光领域最重要的技术之一，尤其是在高功率材料加工市场，已经逐渐取代了许多传统的二氧化碳激光器和固体激光器。

工作原理

连续光纤激光器的核心工作原理与其他激光器类似，都基于受激辐射的概念。其基本结构主要由以下几部分组成：

• 泵浦源：通常是高功率的多模激光二极管。它的作用是提供能量，将掺杂光纤中的稀土离子从低能级“泵浦”到高能级。
• 增益介质：掺杂稀土元素的光纤（如掺镱光纤）。这是激光产生的核心区域。被激发的稀土离子发生受激辐射，产生并放大特定波长的激光。
• 谐振腔：由两个或多个光学元件（如光纤光栅）构成，它们被写入光纤内部。一个作为高反镜，另一个作为输出耦合镜。激光在谐振腔内来回反射，不断被放大，最终一部分通过输出镜形成稳定的激光输出。
• 光纤组件：包括合束器、包层光剥除器等，用于将泵浦光高效地耦合进增益光纤并管理激光传输。

工作流程简述

泵浦激光二极管发出的光通过合束器进入掺杂光纤，激发稀土离子。受激辐射产生的光在由光纤光栅构成的光学谐振腔内振荡放大，最终形成一束高亮度、高功率的连续激光，并通过一根传输光纤输出到加工头。

特点与优势

连续光纤激光器之所以能成为工业主流，得益于其光纤结构的天然优势：

• 卓越的光束质量：光纤波导结构能完美保持激光的传输模式，输出接近衍射极限的高质量高斯光束或平顶光束。这意味着激光可以聚焦到极小的光斑，能量密度极高。
• 电光转换效率高：通常可达30%-40%，远高于CO2激光器（~10%）和灯泵固体激光器（~3%），大幅节省电能。
• 免维护设计：全光纤结构，无需光学镜片调整校准，没有易损件，使用寿命长（泵浦源寿命可达10万小时），维护成本极低。
• 出色的散热性能：光纤具有极高的表面积体积比，散热能力极强，无需庞大的水冷系统，可实现紧凑设计。
• 高功率稳定性与可靠性：全封闭的光纤结构使其对灰尘、振动等环境因素不敏感，输出功率非常稳定。
• 灵活性与易于集成：激光通过柔性光纤传输，可以轻松地将激光器本体与加工机床分离，方便机器人集成和自动化生产线的布局。
• 波长优势：最常见的掺镱光纤激光器输出波长为1070nm附近，金属材料对该波长的吸收率远高于CO2激光器的10.6μm波长，尤其在切割焊接方面优势明显。

应用领域

连续光纤激光器是宏加工领域的绝对主力：

• 激光切割：是其最大的应用市场。尤其是中厚金属板材的切割，优势在于速度快、精度高、断面质量好。从薄板到厚板（可达数十毫米），几乎统治了金属切割领域。
• 激光焊接：广泛应用于汽车制造（车身、电池、零部件）、航空航天、五金家电等行业。可实现深熔焊、热导焊，焊缝深宽比大、变形小。
• 激光表面处理：包括激光熔覆（再制造、耐磨防腐）、激光淬火（表面硬化）和激光清洗（除锈、去漆）。
• 其他应用：还包括钎焊、3D打印（金属烧结）、钻孔等。

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