光纤激光器——功能和应用领域

• 定义：固态激光器，通常在掺杂稀土元素的玻璃光纤内传导光线。 

• 主要优势：高精度、高效率、通用性强、坚固耐用。 

• 应用领域：精细雕刻/打标 

• 优点：设计紧凑、节能、使用寿命长、维护少、非接触式工艺 

• 应用局限：不适用于木材等有机材料、透明材料（透明玻璃）、 或某些塑料 

在制造和设计领域，激光技术整体为材料加工带来了革命性的变化。在所有激光器中，光纤激光器因其精度、效率和打标灵活性脱颖而出。本指南将介绍光纤激光器及其优势、常见应用领域以及选择新激光器时的重要安全注意事项。 

探索激光设备

光纤激光器是一种固体激光器，其激光和泵浦光均通过玻璃光纤传导。激光的活性介质是玻璃光纤的内部横截面，通常掺杂镱等稀土元素。 

更详细地说，激光二极管提供能量，通过光纤将光（如 915nm、977nm 或 1064 nm）传导至掺杂玻璃纤维。这些光纤通过熔接连接。熔接是一种玻璃焊接工艺，可消除泵浦光或激光的开放光束路径。这使得光纤激光器具有极强的抗污染和抗振动能力。 

大多数用于打标和雕刻的光纤激光器都是脉冲光纤激光器，通常采用 MOPA  （主振荡功率放大器）设计。这种在盘绕光纤中实现的单程放大，可在紧凑的空间内实现较大的放大范围和较高的增益。 

脉冲光纤激光器的脉冲峰值功率通常为 10kW-20kW，平均输出功率为 10W-100W，因此适用于各种精密任务。其光束质量高、聚焦效果好，可用于多种用途： 

• 复杂雕刻和打标：光纤激光器擅长在金属、某些塑料和陶瓷上制作永久性的高对比度标记。可以轻松完成高分辨率的复杂图案雕刻，因此非常适合雕刻设计、文字、徽标或序列号。此外，由于光纤激光器具有特殊的功率密度，深度雕刻也不成问题。因此，卓泰克生产的光纤激光器的应用范围从珠宝业延伸到到汽车业。    
• 光纤激光器的其他通用应用：此外，一些光纤激光器还可用于焊接或表面清洁，并在其他领域持续拓展应用范围。 

在选择激光系统时，您会遇到多种技术，根据您的使用场景选择适合的技术可能颇具挑战。通过以下比较，您可以大致了解各种激光器之间的区别。 

光纤激光器与CO2 激光器： 

• 速度与材料： 光纤激光器的波长为 1.064 微米，会产生极小焦斑直径；其强度比具有相同平均功率的 CO2 激光设备高出近 100 倍。因此，光纤激光器最适合通过退火工艺实现金属打标、金属雕刻及高对比度塑料打标。  

•  另一方面，CO2 激光器的波长较长，非常适合非金属材料，如木材、丙烯酸树脂、皮革、纸张、纺织品和玻璃切割、雕刻和打标。 

• 精度和光束质量：相比之下，光纤激光器通常具有更高的精度和更精细的光束质量，从而使金属切割边缘更平滑。 

• 维护和使用寿命：因采用非接触式打标和雕刻方式和和无磨损部件，光纤激光器的使用寿命通常较长且几乎不需要维护。

光纤激光器与Nd:YAG 激光器： 

• 使用案例：在许多应用领域，尤其是打标和雕刻领域，脉冲光纤激光器已经部分取代了传统的 YAG 激光器。光纤激光器通常更适用于工业金属加工和高速生产。 

• 脉冲性能：与光纤激光器的 10kW-20kW 相比，YAG 激光器的脉冲峰值功率更高（30-100kW）。 

• 实用性：光纤激光器在设计紧凑、坚固耐用、使用寿命长和整体成本效益方面具有显著优势。 

光纤激光器与二极管激光器  

• 材料和应用多样性：光纤激光器的工作波长通常为 1064 nm。这种波长易被金属吸收，因此光纤激光器是金属和某些塑料打标的理想选择。二极管激光器通常采用 450 nm（蓝光）或 808-980 nm（红外线）的波长范围，具体取决于二极管的类型。蓝光二极管 (450 nm) 除了能标记某些金属外，还能被木材、皮革和某些塑料等有机材料很好地吸收。因此，光纤激光器主要用于金属和塑料打标领域，而二极管激光器对不同材料具有更广泛的通用性。 

• 金属深度雕刻：光纤激光器适合在金属上进行深度雕刻，而二极管激光器则无法在金属打标深度上达到同样的水平。 

• 预算：与许多振镜光纤激光系统相比，二极管激光系统（如 Speedy 100 cross ）通常能以更低的成本提供更大的打标区域。  

能量由激光二极管提供，其光线（通常为 915nm 或 977nm）通过光纤传导至掺杂玻璃纤维。光纤通过熔接（玻璃焊接）相互连接，即泵浦光或激光通常没有开放的光束路径（见图 1）。因此，光纤激光器对污染和振动相对不敏感。由于泵浦二极管在空间上相互分离，且每个二极管都有自己的散热器，因此泵浦二极管的使用寿命较长。只要激光脉冲的峰值功率保持在 10-20kW 以下，整体使用寿命就能达到数万小时。有连续发射光纤激光器（"cw"= 连续波）和脉冲光纤激光器。下文只讨论脉冲光纤激光器，因为它们更适用于打标和雕刻。脉冲持续时间通常在 100 纳秒左右，也可以实现几纳秒的短脉冲，但脉冲能量要低得多。

MOPA 设计中的脉冲光纤激光器由一个”主振荡器“（也称”种子激光器“）和一个光纤耦合”功率放大器“组成。前者是二极管激光器或”芯片激光器“，平均功率自几毫瓦至最高 150 毫瓦。该激光器发射的脉冲具有确定的脉冲形状。”芯片激光器“将激光器集成在一个芯片上——激光活性介质、反射器和其他光学元件通常不仅是集成的，而且是单片构造。放大器由掺镱玻璃光纤组成，通过光纤耦合泵浦二极管为其提供能量。如果要产生激光脉冲，泵浦二极管首先要对放大器光纤进行充电（粒子数反转）。在自发辐射放电之前，种子激光器会发出一个脉冲，该脉冲在通过光纤时会被放大几百倍到几千倍。放大只需一次（“单程放大器”）。光纤通常呈线圈状，因此体积小，放大范围大，增益高。

光纤激光器的一个显著优势是使用寿命长。泵二极管在空间上是分开的，每个二极管都有自己的散热器，因此这些关键部件的使用寿命较长。在进行重大维护或出现严重老化之前，光纤激光器的总体使用寿命一般为 50,000 至 100,000 小时。使用寿命的延长使其成为一项明智的长期投资。 

光纤激光器具有多项引人注目的优点： 

• 打标速度快、质量高，特别是在金属和塑料材质上 
• 对精细复杂打标也有很高的精度 
• 设计紧凑，免维护：玻璃纤维表面积大、体积小，能够有效冷却，设计紧凑、坚固耐用，几乎无需维护。 
• 能源效率：它们具有很高的电光效率（超过 20%），从而降低了能源成本，减少了运行过程中的废热。 
• 总体成本更低：与老式的 YAG 激光器相比，光纤激光器在同类应用中的总体使用寿命成本要低得多，因此从长远来看是更经济的选择。 
• 抗污染能力强：通过精密熔接，实现了泵浦光和激光在光纤内的内部传导，消除了开放式光束路径，使光纤具有很强的抗灰尘和其他污染物的能力。 

尽管光纤激光器性能强大，但在材料兼容性方面却有其局限性： 

• 透明材料：对于光纤激光器来说，透明玻璃等材料难以处理。光纤激光器的波长不易被透明材料吸收，导致雕刻/切割效果不佳或根本无法雕刻/切割。  
• 木材：光纤激光器并不适合切割或深雕木材。木材的有机、不均匀结构经常导致没有加工效果或效果不稳定。在这种情况下，CO2 激光器通常是切割或雕刻的首选。 
• 某些塑料：一般来说，光纤激光器可以在塑料上实现良好的打标效果。塑料中的色素会根据成分形成或浅或深的颜色标记，深色色素会呈现浅色标记，而浅色色素则会呈现深色标记。另一方面，有些热敏性塑料无法打标，这在很大程度上取决于塑料的成分。   
• 有纤维损坏风险的材料：产生持续时间极短、能量极高的脉冲会在玻璃纤维的小横截面内产生极高的峰值强度，形成“色心”，从而可能损坏光纤。 
• 其他不适合的材料：含有铬 (VI) 的材料（如某些皮革）、碳纤维、PVC、PVB、PTFE（聚四氟乙烯）和氧化铍，由于会释放有毒烟雾，因此绝对不能用任何激光加工。

光纤激光器会发出有害的强辐射。因此，在操作任何激光系统时，安全都是最重要的。安全要点包括： 

• 保护眼睛和皮肤：直接接触激光束会对眼睛造成严重的永久性伤害或导致皮肤灼伤。即便如此，使用卓泰克激光器时也不需要额外的防护装置，例如佩戴合适的激光安全眼镜，因为卓泰克只提供激光等级为 2 的激光器。  
• 烟雾和微粒：光纤激光切割，尤其是金属切割，会产生烟雾、粉尘和微粒。因此，适当的通风和抽吸系统对于防止吸入风险和保持安全的工作环境至关重要。 
• 火灾危险：高热可能会点燃易燃物。因此，必须确保您的工作空间没有可燃物。 

遵守这些预防措施和严格的安全规范对于保护操作人员和周边人员的安全都至关重要。 

考虑到光纤激光器在金属和塑料加工中的高效率、长寿命以及超高精度，光纤激光器通常是一项非常适合的投资。光纤激光器在速度、质量和多功能性方面的优势往往证明投资高品质光纤激光器是正确的选择，尤其对于专注于金属加工和高精度应用的企业而言。 

如果您的主要需求是以超凡精度和速度对金属进行雕刻或打标，或者如果您需要一个维护需求极少、使用寿命长的可靠系统，那么光纤激光器将非常适合您。不过，还是要考虑您的具体材料和应用要求。此外，我们的专家非常乐意在决策过程中为您提供帮助，或回答您可能遇到的任何问题。 

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