光纜簡化了系統(tǒng)集成
時(shí)至今日，光導(dǎo)纖維光束傳輸技術(shù)已經(jīng)成為高功率固體連續(xù)（CW）激光能夠被廣泛工業(yè)應(yīng)用的核心驅(qū)動，但該技術(shù)卻不能被應(yīng)用于超快脈沖激光。而微納結(jié)構(gòu)的空芯光纖的出現(xiàn)使之成為可能，高能量的皮秒和飛秒脈沖激光能夠被限制在其極小的中空芯部結(jié)構(gòu)，以極佳的光束質(zhì)量進(jìn)行傳輸。當(dāng)將其包入一根堅(jiān)固的光纜外殼，或許意味著一個(gè)新的激光傳輸時(shí)代的開啟。（見圖1）
圖1：適用于超快激光應(yīng)用的光纜。
由于可以對幾乎任何材料進(jìn)行超高精度的加工，超快激光展現(xiàn)出不斷增長的應(yīng)用需求。當(dāng)其被應(yīng)用于真正的工業(yè)生產(chǎn)時(shí)， 要求精確的控制脈沖的時(shí)間、空間和形狀， 以便實(shí)現(xiàn)最佳的超快激光輸出。光束傳輸系統(tǒng)作為連接激光源
和具體應(yīng)用之間的光學(xué)界面， 是激光加工系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵的一環(huán)。它的主要目標(biāo)是在盡可能簡單高效且不干擾激光束的前提下，將激光源的激光引導(dǎo)至被加工件的特定位置。但同時(shí)，對激光束在時(shí)間和空間上的整形、加強(qiáng)需求， 作為一個(gè)附加功能越來越多的被提出。
在上世紀(jì)90年代，基于光纖技術(shù)的光束傳輸系統(tǒng)作為主要突破，使連續(xù)半導(dǎo)體和固體激光器真正進(jìn)入工業(yè)激光應(yīng)用，而其也成為數(shù)千瓦功率連續(xù)激光應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。可以預(yù)見的是，如果有類似的光纖傳輸系統(tǒng)可用于超快激光應(yīng)用，那是十分值得期待的。
超快脈沖的光束傳輸
目前對于脈寬在幾皮秒且脈沖能量滿足材料加工需求的這類新興超快激光應(yīng)用，普遍采用空間光路傳輸。這些基于鏡片組成的系統(tǒng)需要繁瑣的細(xì)微調(diào)整（尤其是長距離傳輸），并且受到灰塵和顆粒污染的困擾。在整個(gè)光路中，數(shù)量龐大的光學(xué)組件成為光束質(zhì)量損失的潛在的根源。此外，此類加工設(shè)備普遍需要一個(gè)精工細(xì)作的穩(wěn)定基臺結(jié)構(gòu)，激光器必須盡可能的接近加工位置，在整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面這意味著需要花費(fèi)大量的成本和經(jīng)歷。
缺少標(biāo)準(zhǔn)的光束傳輸解決方案導(dǎo)致了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的千差萬別，這極大阻礙了超快激光得到更廣泛的工業(yè)應(yīng)用。更換激光光源或其他部件都需要重新對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，這最終無疑提高了成本?；诠饫w的光束傳輸系統(tǒng)當(dāng)下還無法實(shí)現(xiàn)，這主要由于傳統(tǒng)的光纖并不適合傳輸超快激光。受限于本身的色散特性，會使脈寬變寬，損傷閾值也無法滿足需求，而自聚焦（self-focusing）、受激布里淵散射（stimulated Brillouin scattering）以及拉曼散射（Raman scattering）等非線性效應(yīng)，會輕易的破壞光纖材料或脈沖波形。所以作為結(jié)論，用于工業(yè)應(yīng)用的超快脈沖無法通過傳統(tǒng)的玻璃光纖進(jìn)行傳輸。
可在中空芯部約束光束的新型光纖
微納結(jié)構(gòu)的空芯光纖(Microstructured hollow-core fibers，簡稱MHCFs，見圖2)支持光束在中空芯部（例如充氣或真空狀態(tài)）中傳輸，這使得其能夠傳輸極高的功率并且徹底消除了非線性效應(yīng)。這種光纖從光子晶體光纖（photonic crystal fibers）演變而來，最早由來自英國巴斯大學(xué)（Bath University）的Russell，Knight和Birks共同開發(fā)研制。從那之后，各種不同樣式的微納結(jié)構(gòu)光纖被開發(fā)出來，并證明了其可以傳輸高功率超快激光的潛在價(jià)值。此類光纖擁有類似于單模階躍折射率光纖（step-index fibers）的芯部尺寸，而約束光線的芯部構(gòu)造像是不規(guī)則的水晶。但不同的是，其芯部長度可以大大延長，并且承受更高的損傷閾值。99%的激光光線在其中空芯部中傳導(dǎo)，可允許的脈沖能量等級提高到了毫焦耳（mJ）級別，大大超過了許多材料加工所需的能量等級。
將此類光纖適當(dāng)?shù)募扇牍I(yè)光束傳輸系統(tǒng)，在保證完美的光束質(zhì)量的前提下，幾百瓦（multi-100W）和幾百微焦（multi-100μJ）的超快激光脈沖可以被可靠的傳輸。這樣的光束傳輸系統(tǒng)使得激光源和具體應(yīng)用得以分離，可以將激光能量分送到不同的工作站，甚至柔性化的機(jī)器人系統(tǒng)也成為現(xiàn)實(shí)，這些無疑都大大增強(qiáng)了工業(yè)應(yīng)用的可能性。
圖2：不同類型的微納結(jié)構(gòu)空芯光纖（MHCFs）以及光束質(zhì)量（M2）為1.3時(shí)遠(yuǎn)近模場分布特性。
空芯光纖由于具有極低的色散特性，非常適合用于飛秒級別的脈寬。在900-1100納米光譜范圍區(qū)間，30至70dB/km或1%每米的衰減值是可以實(shí)現(xiàn)的。
從空芯光纖到超快光束傳輸系統(tǒng)
一套基于光纖的光束傳輸系統(tǒng)一般包括了光束發(fā)射系統(tǒng)，一段集成了光纖的光纜和一個(gè)加工頭。光束發(fā)射系統(tǒng)（beam launching system，簡稱BLS)是一套激光耦合裝置，是將激光源輸出的激光聚焦到光纖端部。這將最大限度的
提高激光傳輸效率，并且改善了光纖輸出端的光束質(zhì)量。由于聚焦后的光斑十分微小，校準(zhǔn)范圍只有幾微米，對整套系統(tǒng)的機(jī)械定位和穩(wěn)定性都提出了很高的要求。根據(jù)激光源的不同，光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)散角接近衍射極限，焦點(diǎn)位置為高斯能量分布。但無論如何，滿足這樣的機(jī)械穩(wěn)定性和成像質(zhì)量要求，從目前的大功率連續(xù)激光耦合技術(shù)來看，都已經(jīng)非常成熟。
內(nèi)部的光纖本身受到了極好的保護(hù)，外部堅(jiān)固的套管禁得起工業(yè)常見的機(jī)器人或龍門機(jī)構(gòu)百萬次的彎曲。機(jī)械應(yīng)力被減少到最小，即使是在充滿顆粒的粗加工環(huán)境?；覊m和水分不允許進(jìn)入光纖內(nèi)部，不然會降低性能甚至造成光纖的損毀。
在光纜接頭的端部有一面保護(hù)玻璃可以保證內(nèi)部的密封性，它距光纖端有一定的安全距離，避免被脈沖能量破壞其鍍膜或材料。光纜內(nèi)部封閉的腔體可以充滿潔凈空氣或其他任意氣體，可以有一定的正壓力或是完全抽真空。光纖本身的夾持部件提供了良好的熱接觸，可選的水冷功能可以在高功率級別提供有效的散熱。精確的光纖端面校準(zhǔn)考慮了更換光纜時(shí)的產(chǎn)生的誤差，在更換同款光纜時(shí)幾乎不需要對輸出焦點(diǎn)進(jìn)行再次微調(diào)。
一種新型的法蘭接口提供了極高的機(jī)械重復(fù)精度和快速的連接。同時(shí)，O型密封圈提供了有效的安全保護(hù)，以保證在一般工業(yè)制造環(huán)境下運(yùn)行。另外在光學(xué)方面，該光纜可具有與高功率連續(xù)光纜相同的安全功能，保護(hù)套管可以保證當(dāng)內(nèi)部光纖斷裂時(shí)不會有任何激光外泄。同樣根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對光纖斷裂、接口連接和耦合狀態(tài)監(jiān)測等功能也是具備的。
應(yīng)用于工業(yè)超快激光
將這套光纖傳輸系統(tǒng)與現(xiàn)有工業(yè)超快激光系統(tǒng)匹配后，一系列的性能評估顯示出這項(xiàng)新技術(shù)的巨大潛力，測試激光器覆蓋了3至200瓦的功率范圍，300飛秒至10皮秒的面寬范圍，3至250微焦的脈沖能量范圍。選用合適的光束發(fā)射系統(tǒng)并經(jīng)過調(diào)校，該光纜可以被用于絕大部分的超快激光器。脈寬在飛秒級別，功率在幾百瓦，脈沖能量在幾百毫焦的超快激光在3至5米長的光纖中可以實(shí)現(xiàn)高于90%傳輸率。在不同功率等級耦合效率是恒定不變的，到光纖端面的焦點(diǎn)漂移可忽略不計(jì)，所以根據(jù)應(yīng)用可以進(jìn)行快速的功率調(diào)制。僅有的物理限制包括當(dāng)脈沖能量過高時(shí)會損壞光纖端面，平均功率達(dá)到一定極限時(shí)光纖由于傳輸損耗而過熱，以及當(dāng)過高的峰值功率產(chǎn)生的非線性效應(yīng)會造成脈沖波形的缺陷。
圖4：現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)與一些選取的論證光纖傳輸高功率和高脈沖能量性能結(jié)果的比較。
經(jīng)過不斷實(shí)際測試數(shù)據(jù)表明，在光纜接頭（見圖4）可選的水冷功能可以保證承受更高的平均功率，而加壓或抽真空可以控制極高峰值功率帶來的非線性效應(yīng)。
當(dāng)利用合理的光束發(fā)射，可以在光纜的輸出端保證很好的光束質(zhì)量，一般的光束質(zhì)量（M2）在1.3左右。圖3 展示了光束經(jīng)過微納結(jié)構(gòu)光纖傳輸時(shí)的遠(yuǎn)近情形，兩邊都具有光束質(zhì)量為1.3且均勻的遠(yuǎn)場輪廓。
圖3：適用于超快激光應(yīng)用的光束發(fā)射裝置（BLS）和帶法蘭接口的光纜接頭。
小結(jié)
基于光纖的光束傳輸系統(tǒng)曾經(jīng)為半導(dǎo)體和固體激光在材料加工的工業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。對于超快激光而言，類似的解決方案如今已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，可以預(yù)見其也將產(chǎn)生出相似的影響。
光纜的最大優(yōu)勢是將促進(jìn)系統(tǒng)集成的簡化，使得激光器可以被放置在遠(yuǎn)離加工的位置，而加工設(shè)備的移動機(jī)構(gòu)也不再需要笨重的支撐結(jié)構(gòu)。最為額外的好處，這樣精妙的光束傳輸系統(tǒng)提供了更簡易的部件更換方式，減少了部件維護(hù)的時(shí)間。伴隨這些技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)備所有者整體激光系統(tǒng)集成成本將大大降低。
應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過集成了光纖的光束傳輸系統(tǒng)的傳輸，超快激光保持了完美的光束質(zhì)量、脈寬和功率。得益于牢固的接口設(shè)計(jì)，傳輸和光束質(zhì)量都可以避免機(jī)械移動負(fù)載的影響。在極限曲折半徑內(nèi)對光纜進(jìn)行彎曲和移動都不會改變功率的傳輸率，只會對光強(qiáng)分布產(chǎn)生微弱的影響。對于900至1100納米波段的超快激光應(yīng)用，該光纜可輕易的對幾百瓦的平均功率和幾百微焦的脈沖能量進(jìn)行傳輸。
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