這十年來，光纖激光技術(shù)已迅速成為1微米波長的材料加工應(yīng)用中的主要候選技術(shù)，尤其在標(biāo)刻應(yīng)用中，光纖激光器已占據(jù)激光源的三分之一。光纖激光源為用戶提供簡潔的低成本解決方案，無需維護(hù)，降低產(chǎn)權(quán)方案的成本。對(duì)于非技術(shù)用戶來說，這也是一種“安裝之后就不必管它”的選擇。 對(duì)于許多激光來說，由于在使用氣體或棒狀激光器時(shí)，光學(xué)器件、熱透鏡或其它對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)的下降，維持光束質(zhì)量通常很困難的。事實(shí)上，可以采用對(duì)特殊模式進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)來滿足特別的材料加工應(yīng)用。
最新一代的納米脈沖光纖激光器簡潔緊湊，調(diào)整光束質(zhì)量后的光源非常靈活，有若干可配置的脈沖選項(xiàng)。這將改進(jìn)大多數(shù)應(yīng)用的工藝。近來，峰值功率和脈沖能量的提高使得傳統(tǒng)標(biāo)刻加工邁上了新的臺(tái)階，也使激光器成為功能強(qiáng)大的精密加工工具。
許多光纖激光器基于調(diào)Q類型的設(shè)計(jì)，并且模仿了其他固態(tài)激光器的能力。這種光源仍主要應(yīng)用于當(dāng)前的標(biāo)刻應(yīng)用中，它受限于脈沖參數(shù)的能力，不能突破重復(fù)率小于100千赫的限制。基于主振動(dòng)率放大器(MOPA)設(shè)計(jì)的光纖激光器使用直接調(diào)制的種子激光器和放大器通路，能靈活控制如脈沖長度和頻率等脈沖參數(shù)。
例如，SPI最新的MOPA設(shè)計(jì)能夠達(dá)到很高的峰值功率，這是無法在標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制時(shí)達(dá)到的，在平均輸出功率為40瓦時(shí)，一些模式的峰值脈沖功率能超過20千瓦，在30千赫時(shí)脈沖能量能大于1.25mJ。另外，這些模式的脈沖頻率范圍高達(dá)1到500千赫，脈沖持續(xù)時(shí)間范圍為20到200納秒，并且能在連續(xù)波(CW)模式下工作。
　　材料加工中，影響質(zhì)量和生產(chǎn)能力的一些關(guān)鍵參數(shù)包括：峰值脈沖功率(千瓦)、脈沖能量(mJ)、脈沖頻率(千赫)、平均功率(瓦)、脈沖持續(xù)時(shí)間(納秒)和光束質(zhì)量(M2)。大多數(shù)脈沖激光材料加工應(yīng)用需要綜合考慮上述參數(shù)。
脈沖加工在本質(zhì)上嚴(yán)重依賴于重疊激光光斑才能取得理想的結(jié)果。盡管高一些的重疊也可以讓標(biāo)記的外觀幾近平滑，但通常對(duì)于許多激光加工來說，普遍接受的是大于30%的光斑重疊。高重復(fù)率意味著可以達(dá)到更高的加工速度。在500千赫時(shí)，當(dāng)掃描速度高達(dá)8米/秒時(shí)就能夠取得30%光斑重疊的效果。

圖1 (上圖)25kHz0.8mj斑點(diǎn)標(biāo)記，(下圖)375kHz0.05mj平滑高對(duì)比度標(biāo)記5米/秒
在加工敏感材料時(shí)，需要仔細(xì)控制熱輸入，通常最好采用較短的脈沖和較高的重復(fù)率。在加工塑料和聚合材料時(shí)，則最好維持峰值功率并且限制每單位長度的總熱輸入(見圖1)。其他應(yīng)用加工，如除漆(24小時(shí)標(biāo)記)、彩色標(biāo)記、集成電路打標(biāo)以及薄膜圖案生成(太陽能電池和液晶屏幕)，則最好要滿足大于100千赫的條件。
光束質(zhì)量對(duì)許多應(yīng)用來說有著決定性影響，低M2并不是在所有場合中適用，因而在考慮是否適合某用途時(shí)必須考慮光束質(zhì)量。低M2光束能在加工域上產(chǎn)生更小更深的斑點(diǎn)，但是更高的峰值功率將導(dǎo)致過度的中心點(diǎn)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致問題發(fā)生，例如在薄膜制圖或清除應(yīng)用中引發(fā)基底損壞。當(dāng)區(qū)域較大時(shí)，由于行距較小，就需要較小斑點(diǎn)加工更多次。在這些應(yīng)用中，高M(jìn)2光束在更寬的功率分布時(shí)，更適用于區(qū)域加工。

圖2 光束質(zhì)量的對(duì)比
在SPI公司，我們已經(jīng)開發(fā)了一系列脈沖激光器，可以廣泛用于標(biāo)稱需要不同光束質(zhì)量的應(yīng)用(見圖2)。激光器光束質(zhì)量的影響極為顯著，主要與產(chǎn)生的聚焦斑點(diǎn)尺寸相關(guān)。對(duì)比研究則顯示出斑點(diǎn)尺寸對(duì)于標(biāo)刻和鉆孔加工應(yīng)用的影響。當(dāng)激光脈沖數(shù)量相同時(shí)，單模脈沖激光器可以產(chǎn)生窄深的高深寬比的孔，而更高模式的激光器則產(chǎn)生漸寬漸淺的孔。這一結(jié)果或許在多數(shù)情況下有效，不過要指出的是，最終特征不必嚴(yán)格與估算的斑點(diǎn)尺寸一致，這應(yīng)該視應(yīng)用的要求而定。
在深度雕刻和加工反射材料時(shí)，脈沖能量和峰值功率是最主要的特性。當(dāng)峰值功率大于20千瓦、脈沖能量大于1.25mJ時(shí)，光纖激光器能同燈泵浦Nd:YAG激光雕刻機(jī)相媲美。但是，最好的雕刻質(zhì)量通常并不是在峰值功率或脈沖能量參數(shù)最高時(shí)取得。有些公司專注于像鑄模工具這樣的復(fù)雜三維雕刻應(yīng)用，他們開發(fā)了將光纖激光器同填充技術(shù)和脈沖參數(shù)相結(jié)合的專有方法，使得每一脈沖僅僅除去幾微米(見圖3)。

圖4 玻璃微加工 (圖片由劍橋大學(xué)提供)
其他材料包括像玻璃碳這樣的特殊材料也適于微加工。玻璃碳的高熔點(diǎn)和獨(dú)特硬度性質(zhì)使得傳統(tǒng)機(jī)器加工變得很難，而激光器能解決這一問題。劍橋大學(xué)學(xué)者的研究(見圖4)展示了使用20瓦0.8mJ脈沖激光器對(duì)血漿分離器鑄模工具進(jìn)行加工所能達(dá)到的精度。
最初，由于背面反射帶來的風(fēng)險(xiǎn)，光纖激光器在加工反射和傳導(dǎo)材料時(shí)需要很小心。不過，光學(xué)隔離技術(shù)的發(fā)展讓用戶在這類應(yīng)用中能夠使用光纖激光器。在珠寶行業(yè)中的雕刻中，高脈沖能量在低重復(fù)率下除去疏松物質(zhì)，緊接著，高峰值功率的高重復(fù)率、短低能量脈沖來做最后一遍的平滑處理工作(見圖5)。更高的峰值功率和脈沖能量使銅雕刻成為可能。

圖5 銀雕刻 (圖片由LMCo提供)
這些用途廣泛的激光器也將應(yīng)用擴(kuò)展到傳統(tǒng)打標(biāo)和雕刻之外。如今，這些激光器已用于切割、焊接甚至熔接等應(yīng)用。更高的峰值功率和脈沖能量能夠切割包括薄片金屬在內(nèi)的廣泛材料。使用遠(yuǎn)程掃描器技術(shù)，還能夠切割包括金、銅、銀及黃銅在內(nèi)的厚度高達(dá)幾百微米的大多數(shù)金屬。更厚一些的材料需要使用多遍技術(shù)來切割，速度會(huì)慢一些，對(duì)于某些應(yīng)用來說，仍然比傳統(tǒng)激光切割工藝更好(見圖6)。

圖6 銅切割 (圖片由Miyachi Unitek 公司提供)
焊接通常被當(dāng)作一項(xiàng)直接半導(dǎo)體或者連續(xù)波光纖激光工藝。然而，對(duì)于熱敏感應(yīng)用來說，傳統(tǒng)激光技術(shù)并不能完全控制熱輸入。高重復(fù)率脈沖光纖激光器結(jié)合快速掃描技術(shù)，可以將回流焊接的部件總熱輸入控制得很低。
隨著用戶在新MOPA設(shè)計(jì)中越來越注重靈活性和多功能性，納秒級(jí)光纖激光器的用途正越來越廣。模式質(zhì)量的可調(diào)整性以及脈沖特性的可變性有助于應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。
如今，納秒級(jí)光纖激光器已很成熟，應(yīng)用范圍已從標(biāo)刻加工延伸至更有用武之地的微加工。因此，不管是何種微加工應(yīng)用，都可以考慮使用脈沖光纖激光器。