【導讀】降功率頻率點是脈沖激光器中的一個很重要的概念，定義為特定脈寬下，激光器能夠輸出最大額定平均功率時的重復頻率下限。也就是說，低于此頻率點，即使設置功率100％，實際輸出的功率也會低于額定功率。
降功率頻率點是脈沖激光器中的一個很重要的概念，定義為特定脈寬下，激光器能夠輸出最大額定平均功率時的重復頻率下限。也就是說，低于此頻率點，即使設置功率100％，實際輸出的功率也會低于額定功率。降功率頻率點的存在是激光器本身的動力學過程決定的，準確理解降功率頻率點有助于正確指導激光加工工藝實踐。光至科技的MOPA納秒脈沖光纖激光器的說明書中給出了每個脈寬對應的降功率頻率點，仔細閱讀這些數(shù)據(jù)能幫您更快速地找到工藝優(yōu)化的方向。
在脈沖激光器中，降功率頻率點的存在主要受限于兩種物理效應，一是增益介質(zhì)中的飽和放大效應，限制了可輸出的最大脈沖能量，一是非線性效應，限制了可輸出的最大脈沖峰值功率。
在降功率頻率點以上，激光放大器的泵浦連續(xù)工作，在相鄰脈沖間隔（T）內(nèi)激發(fā)摻雜稀土離子從基態(tài)（ground state）躍遷到激發(fā)態(tài)（excited state），實現(xiàn)泵浦儲能，此時沒有信號光提取能量，增益介質(zhì)內(nèi)儲能增加，猶如水壩蓄水，水位升高。信號脈沖經(jīng)過后，通過受激發(fā)射過程，誘導處于上能級的離子以之相同的波長和方向發(fā)射，實現(xiàn)脈沖放大，猶如水壩開閘放水，形成洪峰。
圖1 激光受激吸收、自發(fā)輻射與受激發(fā)射過程
如圖1所示，除了泵浦受激吸收和信號受激發(fā)射，激發(fā)態(tài)的離子還會通過自發(fā)輻射不斷損耗，因此儲能不可能無限增加，限制通光方向橫截面儲能密度的物理量稱為飽和通量（Fsat），主要由信號激光頻率（v）位置的吸收截面（ σabs）和發(fā)射截面（σem）決定。飽和通量與光纖通光面積（Af）的乘積即為飽和能量（Esat）。物理上Esat是使激光增益下降到小信號增益的1／e（～37％）時對應的輸入脈沖能量。
當信號脈沖能量遠低于Esat時激光增益高，激光器工作在小信號放大區(qū)，大于Esat時激光增益下降逐漸趨于零，激光器工作在飽和放大區(qū)。在摻鐿光纖激光器中，1064nm位置的吸收截面和發(fā)射截面分別為0.0064pm2和0.3978pm2，對20μm纖芯的光纖，飽和能量約為0.6mJ左右，對30μm纖芯的光纖，飽和能量約為1.3mJ左右，對100μm這種超大模場光纖，飽和能量則為14.5mJ。可見，目前脈沖光纖激光器的最大輸出能量基本與飽和能量相當。飽和能量之上，脈沖仍然可以放大，只是增益會越來越小，慢慢趨近于零。以額定功率30W的脈沖激光器估算，典型的光光效率為60％，即需要的泵浦光功率為50W，915nm到1064nm的量子效率為86％，則完成2mJ的儲能需要的時間為2mJ／86％／50W ＝ 46μs。以46μs作為脈沖周期，則對應的頻率為22kHz。
實際上，在MOPA脈沖激光器中，一般只有200ns以上的長脈沖才能達到標稱的最大能量輸出，脈寬越短，最大輸出能量越小。同等能量下，脈寬越短，峰值功率越高，而峰值功率高出一定閾值，會在光纖中引起顯著的非線性效應，因此MOPA激光器除了限制最大脈沖能量，還有一個重要的限制就是峰值功率，典型值為10kW。
常規(guī)MOPA光纖激光器中，常見的非線性效應包括自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、四波混頻（FWM）和受激拉曼散射（SRS）等。這些非線性效應的直接后果就是導致光譜展寬，光譜過寬的激光經(jīng)過未作消色差設計的光學系統(tǒng)，不同波長的焦點位置和焦斑大小都不相同，直接影響加工效果。另外，非線性效應還可能導致激光器的光束質(zhì)量劣化和物理損傷。通過合理優(yōu)化激光器設計方案和器件選型，光至科技可以為用戶定制遠高于常規(guī)機型峰值功率的激光器。
圖2 脈沖激光器降功率頻率點示意圖
如圖2所示，脈沖激光器降功率頻率點的意義歸納如下：
（1）激光器最大工作頻率（fmax）以下，降功率頻率點（f0）以上，激光器可以工作在最大平均功率（Pmax），此段輸出的脈沖能量（E）等于Pmax／f，頻率越高，單脈沖能量越低。
（2）降功率頻率點以下，激光器可輸出的最高功率（P）隨實際工作重頻近似呈線性下降，即P ＝ Pmax＊f／f0，例如，工作重頻降低為降功率頻率點的一半，對應的最高輸出功率只有額定功率的一半，而單脈沖能量E ＝ P ／ f ＝ Pmax ／ f0，也就是單脈沖能量與降功率頻率點以上工作時相比基本保持不變。需要指出的是，這種線性只是近似的，實際的情況可能更為復雜，但是作為簡單估計是足夠的。
（3）長脈沖的降功率頻率點小于短脈沖對應的降功率頻率，例如光至科技的YFL－PN－GM－80－L型激光器，250ns以上對應的降功率頻率點為53kHz，而脈沖越短，則降功率頻率點越大。這是因為受限于峰值功率，長脈沖可提取的單脈沖能量更高。
實際的工藝優(yōu)化過程中，什么時候會用到降功率頻率點以下的重頻參數(shù)呢？簡單來講，就是要脈沖能量或者峰值功率而不要過高平均功率的場合，即要單脈沖能量或峰值功率保證加工效果，但是又要降低平均功率以避免過度的熱效應。例如，在3C產(chǎn)品加工中經(jīng)常用到的陽極氧化鋁薄板破除氧化層的工藝中，需要一定的脈沖能量以破壞氧化層，但是如果平均功率過高，熱效應會導致材料變形，背面形成凸包。
更多的時候，為了發(fā)揮最大脈沖能量的效果，如激光清洗，可以讓激光器直接工作在降功率頻率點。在一些樣品的打樣實驗中，也可以先從降功率頻率點開始進行驗證，如果能達到效果或者加工過頭，則適當降低能量，直至找到滿足工藝要求的邊界參數(shù)。
除了MOPA脈沖激光器，調(diào)Q激光器或者超快激光器很少提到降功率頻率點，這是因為這類激光器只有一個固定脈寬，并且只開放降功率頻率點以上的工作頻段。比如，調(diào)Q激光器一般工作在30kHz到80kHz，而超快激光器則工作在100kH到1MHz，這里的頻率下限也接近于此類激光器的降功率頻率點。MOPA脈沖激光器的重頻可調(diào)范圍大，且在降功率頻率點下可以基本保證單脈沖能量和峰值功率不變是一個重要的優(yōu)勢，正確掌握和靈活應用這種性能優(yōu)勢有助于客戶更好地發(fā)揮激光器的性能。
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