降功率頻率點(diǎn)是脈沖激光器中的一個(gè)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(shí)的重復(fù)頻率下限。也就是說(shuō)，低于此頻率點(diǎn)，即使設(shè)置功率100％，實(shí)際輸出的功率也會(huì)低于額定功率。降功率頻率點(diǎn)的存在是激光器本身的動(dòng)力學(xué)過(guò)程決定的，準(zhǔn)確理解降功率頻率點(diǎn)有助于正確指導(dǎo)激光加工工藝實(shí)踐。光至科技的MOPA納秒脈沖光纖激光器的說(shuō)明書(shū)中給出了每個(gè)脈寬對(duì)應(yīng)的降功率頻率點(diǎn)，仔細(xì)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(diǎn)的存在主要受限于兩種物理效應(yīng)，一是增益介質(zhì)中的飽和放大效應(yīng)，限制了可輸出的最大脈沖能量，一是非線(xiàn)性效應(yīng)，限制了可輸出的最大脈沖峰值功率。

在降功率頻率點(diǎn)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(shí)現(xiàn)泵浦儲(chǔ)能，此時(shí)沒(méi)有信號(hào)光提取能量，增益介質(zhì)內(nèi)儲(chǔ)能增加，猶如水壩蓄水，水位升高。信號(hào)脈沖經(jīng)過(guò)后，通過(guò)受激發(fā)射過(guò)程，誘導(dǎo)處于上能級(jí)的離子以之相同的波長(zhǎng)和方向發(fā)射，實(shí)現(xiàn)脈沖放大，猶如水壩開(kāi)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(guò)程

如圖1所示，除了泵浦受激吸收和信號(hào)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(chǔ)能不可能無(wú)限增加，限制通光方向橫截面儲(chǔ)能密度的物理量稱(chēng)為飽和通量（Fsat），主要由信號(hào)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(hào)增益的1／e（～37％）時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入脈沖能量。

當(dāng)信號(hào)脈沖能量遠(yuǎn)低于Esat時(shí)激光增益高，激光器工作在小信號(hào)放大區(qū)，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(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(duì)20μm纖芯的光纖，飽和能量約為0.6mJ左右，對(duì)30μm纖芯的光纖，飽和能量約為1.3mJ左右，對(duì)100μm這種超大模場(chǎng)光纖，飽和能量則為14.5mJ。可見(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(dāng)。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(chǔ)能需要的時(shí)間為2mJ／86％／50W ＝ 46μs。以46μs作為脈沖周期，則對(duì)應(yīng)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(zhǎng)脈沖才能達(dá)到標(biāo)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)在光纖中引起顯著的非線(xiàn)性效應(yīng)，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(guī)MOPA光纖激光器中，常見(jiàn)的非線(xiàn)性效應(yīng)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(xiàn)性效應(yīng)的直接后果就是導(dǎo)致光譜展寬，光譜過(guò)寬的激光經(jīng)過(guò)未作消色差設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，不同波長(zhǎng)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(yīng)還可能導(dǎo)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(shè)計(jì)方案和器件選型，光至科技可以為用戶(hù)定制遠(yuǎn)高于常規(guī)機(jī)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(duì)應(yīng)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(fù)雜，但是作為簡(jiǎn)單估計(jì)是足夠的。

（3）長(zhǎng)脈沖的降功率頻率點(diǎn)小于短脈沖對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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?yàn)槭芟抻诜逯倒β剩L(zhǎng)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(shù)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(yīng)。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(yīng)會(huì)導(dǎo)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(yàn)中，也可以先從降功率頻率點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行驗(yàn)證，如果能達(dá)到效果或者加工過(guò)頭，則適當(dāng)降低能量，直至找到滿(mǎn)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(diǎn)，這是因?yàn)檫@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(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(lèi)激光器的降功率頻率點(diǎn)。MOPA脈沖激光器的重頻可調(diào)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(shì)，正確掌握和靈活應(yīng)用這種性能優(yōu)勢(shì)有助于客戶(hù)更好地發(fā)揮激光器的性能。
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