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(huì )通過(guò)自發(fā)輻射不斷損耗，因此儲能不可能無(wú)限增加，限制通光方向橫截面儲能密度的物理量稱(chēng)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(shí)對應的輸入脈沖能量。

 

 

 

當信號脈沖能量遠低于Esat時(shí)激光增益高，激光器工作在小信號放大區，大于Esat時(shí)激光增益下降逐漸趨于零，激光器工作在飽和放大區。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(chǎng)光纖，飽和能量則為14.5mJ?？梢?jiàn)，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(huì )越來(lái)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(shí)間為2mJ／86％／50W ＝ 46μs。以46μs作為脈沖周期，則對應的頻率為22kHz。

 

實(shí)際上，在MOPA脈沖激光器中，一般只有200ns以上的長(cháng)脈沖才能達到標稱(chēng)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(huì )在光纖中引起顯著(zhù)的非線(xiàn)性效應，因此MOPA激光器除了限制最大脈沖能量，還有一個(gè)重要的限制就是峰值功率，典型值為10kW。

 

常規MOPA光纖激光器中，常見(jiàn)的非線(xiàn)性效應包括自相位調制（SPM）、交叉相位調制（XPM）、四波混頻（FWM）和受激拉曼散射（SRS）等。這些非線(xiàn)性效應的直接后果就是導致光譜展寬，光譜過(guò)寬的激光經(jīng)過(guò)未作消色差設計的光學(xué)系統，不同波長(cháng)的焦點(diǎn)位置和焦斑大小都不相同，直接影響加工效果。另外，非線(xiàn)性效應還可能導致激光器的光束質(zhì)量劣化和物理?yè)p傷。通過(guò)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(hù)定制遠高于常規機型峰值功率的激光器。

 

 

圖2 脈沖激光器降功率頻率點(diǎn)示意圖

 

如圖2所示，脈沖激光器降功率頻率點(diǎn)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(diǎn)（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(diǎn)以下，激光器可輸出的最高功率（P）隨實(shí)際工作重頻近似呈線(xiàn)性下降，即P ＝ Pmax＊f／f0，例如，工作重頻降低為降功率頻率點(diǎn)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(diǎn)以上工作時(shí)相比基本保持不變。需要指出的是，這種線(xiàn)性只是近似的，實(shí)際的情況可能更為復雜，但是作為簡(jiǎn)單估計是足夠的。

 

（3）長(cháng)脈沖的降功率頻率點(diǎn)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(diǎn)為53kHz，而脈沖越短，則降功率頻率點(diǎn)越大。這是因為受限于峰值功率，長(cháng)脈沖可提取的單脈沖能量更高。

 

實(shí)際的工藝優(yōu)化過(guò)程中，什么時(shí)候會(huì )用到降功率頻率點(diǎn)以下的重頻參數呢？簡(jiǎn)單來(lái)講，就是要脈沖能量或者峰值功率而不要過(guò)高平均功率的場(chǎng)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(guò)度的熱效應。例如，在3C產(chǎn)品加工中經(jīng)常用到的陽(yáng)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(guò)高，熱效應會(huì )導致材料變形，背面形成凸包。

 

更多的時(shí)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(diǎn)。在一些樣品的打樣實(shí)驗中，也可以先從降功率頻率點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行驗證，如果能達到效果或者加工過(guò)頭，則適當降低能量，直至找到滿(mǎn)足工藝要求的邊界參數。

 

除了MOPA脈沖激光器，調Q激光器或者超快激光器很少提到降功率頻率點(diǎn)，這是因為這類(lèi)激光器只有一個(gè)固定脈寬，并且只開(kāi)放降功率頻率點(diǎn)以上的工作頻段。比如，調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(lèi)激光器的降功率頻率點(diǎn)。MOPA脈沖激光器的重頻可調范圍大，且在降功率頻率點(diǎn)下可以基本保證單脈沖能量和峰值功率不變是一個(gè)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(hù)更好地發(fā)揮激光器的性能。