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)方面沒有太大改善，但是其在制造工藝上的進(jìn)步，卻對它們的性能產(chǎn)生了積極的影響。
美國相干公司開發(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——又長又細(xì)的玻璃纖維制成的。這既是長處也是缺點(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程中大部分工作是對光纖的操作和封裝。
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，這通常是通過增加一個(gè)叫做合束器的元件來實(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，后面是一級或二級功率放大器。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，在發(fā)射激光的過程中釋放出來的任何熱量都會散布到整根光纖。因此，就增益光纖來說，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)在還很難想象未來光纖激光器在裝配過程中不再需要大量的手工操作。
DPSS激光器：單片裝配，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是再好不過了。但是這對于工業(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。可調(diào)底座會隨溫度變化或機(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光束分析儀和一個(gè)功率計(jì)（見圖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，但是卻無法獲得如今PermAlign技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的激光器的長期穩(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受到影響。例如，與振蕩器連接的出射光纖是通過長度通常為3m的可變形長金屬管獲得反饋的。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。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。對于大量的工業(yè)應(yīng)用來說，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，或者將混合符號串縮小。
歷史上在激光器的制造過程中，需要熟練的技術(shù)工人對其進(jìn)行無數(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)，但是卻很少聽說它們在制造過程中的復(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)。這對于保持激光器的成本競爭優(yōu)勢以及進(jìn)一步拓展市場極為重要。
Stuart Woods，Coherent公司業(yè)務(wù)開發(fā)主任
Tobias Pfanz，Coherent公司產(chǎn)品市場經(jīng)理
