✚ 光纖雷射原理及應用

光纖雷射
今天的雷射知識主題想和大家討論的是光纖雷射!

  在前的雷射知識分享的文章裡面，我們有提到雷射約在1960年就被發明，在那不久之後便有科學家想到要用低功率二極體作為激發介質，讓雷射在玻璃光纖裡面邊傳遞邊放大，最終得到所謂的「光纖雷射」。

不過礙於那時候的科技限制和元件成本高，光纖雷射只用於實驗室研究，並不被市場上所接受。

一直到2003年左右，低功率二極體的技術逐漸發達且成本降低，光纖雷射才跟著此趨勢廣泛應用在市場上。也因為光纖雷射的傳遞過程單純、就光源本身使用上是零耗材、效率又高，眾多的優勢讓光纖雷射成為目前雷射市場的主流。 

►光纖雷射是以光纖作為工作物質（增益介質）的極有發展潛力的中紅外波段雷射器，依發射機制可以分為稀土摻雜光纖雷射器、光纖非線性效應雷射器、單晶光纖雷射器、光纖孤子雷射器等。

►高功率光纖雷射器主要用於軍事（光電對抗、雷射探測、雷射通訊等）、雷射加工（雷射打標、雷射機器人、雷射微加工等）、雷射醫療等領域。

 

▻光纖雷射的特點

(1)光纖雷射在低功率激發下容易實現連續運轉。

(2)光纖雷射為圓柱形結構，容易與光纖耦合，實現各種應用。

(3)光纖雷射的輻射波長由基質材料的稀土摻雜劑決定，不受激發光波長的控制，因此可以利用與稀土離子吸收光譜相應的短波長雷射二極體作為激發源，得到中紅外波段的雷射輸出。

(4)光纖雷射與目前的光纖元件，如調制器、耦合器、偏振器等相容，故可製成全光纖系統。

(5)光纖雷射結構簡單，體積小巧，操作和維護運行簡單可靠，不需要像半導體雷射激發固體雷射器系統中的水冷結構等複雜設備。

(6)與燈源雷射相比，光纖雷射消耗的電能大約是燈源雷射的1%，而效率則是半導體雷射激發固體YAG雷射的2倍以上。

(7)因為光纖只能傳輸基本的空間模式，所以光纖雷射器的光束品質不受雷射功率運作的影響，尤其是高功率雙包層光纖雷射器具有輸出功率高、散熱面積大、光束品質好等優點，輸出的雷射具有接近衍射極限的光束品質。

 

▻ 光纖傳輸的優點

  目前光纖導光系統僅可用於波長為1064nm的Nd：YAG雷射器的導光系統，波長為10640nm的CO₂雷射器因熱損嚴重，一般不採用。

上圖(陳義裕繪) 光纖雷射構造示意圖(注意！因為真實雷射是近紅外光，非肉     眼可見，所以圖中雷射光的顏色只是示意)

 

▻ 光纖雷射最簡單的構造如上圖所示：光纖分為三層，扮演「幫浦」角色的光線從光纖一端或側面輸入，使其在光纖內傳播(「幫浦」光線可以方便地由波長較短的低功率二極體雷射提供)。

     當此光線通過以特殊材質製作的中心軸時，便會「激活」物質，從而誘發發射出雷射光。由於中心軸的折射率比周遭材質的折射率高，所以誘發出來的雷射會被限制在中心軸內朝前方傳播並沿路放大(如下圖)。

 

 

雷射的波長為1064nm，屬近紅外光，為不可見光(如下圖)，因此在加工時通常會配有紅光導引，確定雷射出光的位置。

工業用的雷射都屬第四級安全等級(最危險的等級)，不論是直接照到人體或是反射、散射都會對人體造成傷害，因此雷射在出光時必須有防護的安全措施，如護目鏡等，避免危險。

 

 ▻ 金屬對於光纖雷射的波段吸收率特別好，故光纖雷射適合做薄板金屬的加工。

很特別的是他種雷射不敢加工於高反射材質如紅銅、黃銅等，光纖雷射卻可以，原因是光纖雷射的傳遞過程中無鏡片，輸出光纖的設計又是由細到粗，所以在加工高反射材質時，反射回來的能量傳不進最初產生雷射的玻璃光纖裡。也由於整個傳遞過程都是在玻璃光纖裡，光纖雷射較不受溫度、濕度的影響，也不怕移動和晃動，對於環境忍受度相當高。

 

▻其實我們的生活周遭的物品，都充斥著光纖雷射下的產物。

如果你拿手機，翻過去一看，那被咬一口的蘋果圖案、雷雕的文字，都是使用光纖雷射；或是你每天騎的腳踏車，那些金屬管的切割與焊接，也是使用光纖雷射；電腦裡面的IC元件、印刷電路板(PCB)等精密電子物件所需的劃線、鑽孔、點焊，也是使用光纖雷射。

 

▻ 光纖雷射從科學成為科技，至今已是一項非常強大且成熟的工業產品，在各種精密加工領域大放異彩。

光纖雷射可搭配不同的光學配置，如:切割專用加工頭、焊接專用加工頭、振鏡(scanner)，可做切割、焊接、雕刻、鑽孔、拋光、表面處理等應用。像最近很夯的金屬3D列印，也是使用光纖雷射-燒結(sintering)的技術，在列印槽鋪上一層金屬粉末，以雷射燒結要列印的部分，然後列印槽往下沉，再鋪上下一層粉末繼續燒結，透過不斷地重複鋪粉、燒結、鋪粉、燒結的動作，就可將一層一層的金屬熔成形。

 

▻光纖雷射優質的光束品質、精準卓越的性能、快速的生產效率和易整合於機構的特性，對業者來說無疑是最好的選擇，也由於其光電轉換效率(30%至40%)比起他種雷射(15%)還要高，且正確使用下零耗材免維護的性質，整體的使用成本較低，因此光纖雷射在材料加工、通訊、醫療、科學研究等多種先進領域中扮演十分重要的角色。現今的技術，已能透過連接不同機構，使用同一個光纖雷射源，在板材上同時做切割和焊接的動作，減少了許多加工製成，大幅提升生產效率，其廣泛的應用為科技領域帶來新的一波革命，也讓傳統加工領域為之改變。

 

▻ 光纖雷射這個從實驗室到工業化的產品，帶給人類更多方便，不只是工業上程序的變革，更是改變大家對整個加工過程中的思想革新化，光纖雷射無疑是工業科技的歷史裡，一個相當重要的里程碑。

  ---資料來源: 科學Online---

     

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