光纤传输系统在超快激光加工中的应用研究

邹兆安，崔庞博，朱文宇，麻丁龙

（ 1. 中国航发西安航空发动机有限公司，陕西西安 710100；2. 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安710119；3. 西安中科微精光子制造科技有限公司，陕西西安710119 ）

超快激光以脉冲宽度低、瞬时功率高的特点应用于材料加工，扮演着创新尖兵的角色，引领制造技术进入激光制造的新时代，极大地提升了传统制造业的水平，也带来产品设计、制造工艺和生产观念的巨大变革[1-4]。 随着超快激光应用的不断扩展，对其使用的安全、高效和灵活需求不断增强，这对复杂系统的集成简化、增强系统的可靠性与实用性提出要求[5]。 但对于超快激光，目前的传输方式大部分仍是由反射镜及具有折返功能的镜片组成的光学传输系统， 这种传输模式对外界环境要求高，且每个光学元件都有相对固定的位置，同时超快激光器的峰值功率高，传统的光纤无法实现超快激光的柔性传输[6-8]。

根据导光机制划分，可以将空芯微结构光纤分为两类：一类是利用光子带隙效应来导光的空芯光子晶体光纤（hollow core photonic crystal fibers，HCPCF）[9]，其导光原理、表面模、纤芯小、石英壁中的高能量耦合比例及表面散射损耗等问题限制了其无法应用于高功率激光传输、非线性频率转换与超低损耗传输等；另一类是通过泄漏模导光的空芯反谐振光纤 （hollow core anti-resonant fiber，HC-ARF），这类光纤的研究最早源于2002 年Benabid 等[10]提出的Kagome 包层结构的空芯光纤， 该光纤包层虽是周期排列的空气孔，但不具有光子晶体光纤的完整带隙特性。 空芯光子晶体光纤的出现，为超快激光柔性传输提供了可能， 自1999 年第一根空芯光子晶体光纤问世以来，空芯微结构光纤取得飞速发展。汪滢莹等[11]提出了内摆线型纤芯结构，使近红外波段光纤传输损耗降至40 dB/km 以下， 超短脉冲激光损伤阈值高达毫焦量级。 高寿飞等[12]利用无节点结构的空芯反谐振光纤实现了平均功率74 W、单脉冲能量185 μJ、峰值功率10.8 MW 的超短脉冲传输， 且输出激光在频率和时域上均无明显变化。李峰[13]开展了基于Kagome 型空芯光子晶体光纤的高能超短脉冲传输研究，进行了脉宽234 fs、单脉冲能量100 μJ、 平均功率20 W 的高能量飞秒脉冲耦合传输试验，耦合输出的光束模式良好，耦合效率高达85%以上，脉冲宽度影响较小。 光纤的柔性化传输使光源更易与机器人手臂集成，进而能够实现三维激光加工。

本文将Kagome 结构空芯光子晶体光纤传输与五轴激光加工平台进行了系统化集成，开发出基于超快激光光纤传输的可调耦合系统，该系统集成了光纤传输的灵活性与标准化，大大降低了传统光学透镜所带来的系统误差与光学损耗。 通过对其光学性能进行一系列试验和后期处理测试，与自由空间传输模式下试验测试结果进行对比，验证了该方法的可行性。

1 Kagome 结构空芯光子晶体光纤传输特性

空芯光子晶体光纤通过在纤芯中引入空气缺陷、在包层中引入由石英薄壁和空气孔周期性排列的结构，实现一定波长的光被束缚在空气纤芯中传输。 这种传输兼具光纤的波导性和自由空间光路的无介质性， 与传统实芯光纤相比具备明显优势：①光传输的介质是利用空气的透过窗口，因此能量耦合时不存在端面反射损耗；②传输介质具有高度的均匀性，大大减少了光传输时因介质不均匀而发生的散射几率，散射损耗小；③传输介质高度的均匀性又能使光束分散性小，保证了优异的光斑输出质量；④由于采用空气作为传输介质，避开了实芯光纤中引入金属离子、OH-离子及其他杂质，大大减少了吸收损耗，而且空芯光纤芯径较大，空气介质散热效率高，其组成材料的化学性能和光学性能都比较稳定，能够承受高温、紫外线，这使空芯光纤具有较高的能量损伤阈值；⑤通过对空芯光纤内部气压的控制， 可有效实现光纤传输过程中的非线性，抽真空情况下可实现极低的非线性，完成高达平均功率50 W、 单脉冲能量500 μJ 的高功率高能量超短脉冲传输。

随着国内外对HC-PCF 的深入研究，Kagome结构HC-PCF 引发了研究者的广泛关注。 这种光纤具有较宽通频带和较低损耗，可以避免带隙型光子晶体光纤传输带宽窄、 基模与界面模交叠等缺陷，且这种光纤易于制备，在高能量激光传输方面具有较大的应用潜力。 相比自由空间传输系统， 采用Kagome 结构HC-PCF 传输高能激光束在激光加工领域具有耦合效率高、输出光斑模式好、安全性能高等优点，为实现超快激光加工机床小型化及复杂的大曲面加工提供有效的途径。

2 Kagome 结构空芯光子晶体光纤传输试验

2.1 空芯光纤耦合系统

图1 是空芯光纤耦合系统光路结构图。 首先，激光束通过衰减模块， 使光束以最小功率进入光纤，防止耦合程度不高的情况下，大功率激光直接造成光纤损伤；然后，由经一组反射镜进行光束调节，可快速地将激光束调整到与光纤纤芯同心的状态；最后，通过扩束镜组调节入射最终光束角度及光斑大小，可将准直光束进行最终角度调节，达到最佳耦合效率，并且可在最短空间内对不同光束直径激光进行耦合。 系统中空芯光子晶体光纤纤芯直径为 40 μm，波长为 900～1100 nm。

图1 空芯光纤耦合系统

2.2 试验设备

试验采用为航天领域关键零部件制造而研制的五轴超快激光微加工设备， 该设备可在金属、非金属、复合材料或梯度材料上实现通孔、异形孔、盲孔、微腔、沟槽等各种复杂形貌微结构的加工，其关键参数见表1。 试验所用的激光器功率为20 W，脉冲宽度为200 fs，波长为1030 nm。

此外，试验中采用的其他仪器包括：扫描振镜、光束质量分析仪、红外反射镜、聚焦镜、二次元影像测量仪等。

表1 设备关键参数

2.3 试验材料

试验材料包括：0.15 mm 厚打标铝片、0.35 mm厚304 不锈钢薄片。

3 结果与讨论

3.1 光纤耦合系统

图2 是采用CCD 光束质量分析仪测量经光纤传输系统耦合的光斑，可见光斑呈高斯分布，椭圆度大于87%。

图2 耦合后的光斑

为了保证后期试验数据的可靠性与准确性，对光纤摆动、 圆盘折叠和激光能量突变进行了研究，并观察了这些行为对传输效率的影响，具体见表2。可见在不同条件的输入功率和输出功率下，传输数据几乎未受影响，光束经过该耦合系统后效率可以达到80%以上，说明光纤耦合传输系统具有良好的稳定性。

表2 光纤耦合系统传输效率

3.2 点加工测试

设置激光器的输出功率5 W、频率250 kHz，在光路状态相同、 仅改变光路传输模块的条件下，对含涂层铝板表面进行连续打点加工，通过观察激光在材料表面形成的损伤形貌，分析光斑的质量及能量分布情况。 图3 是激光器分别经过传统光学原件与光纤耦合系统两种条件下在材料表面加工形成的焦斑形态，使用二次元影像测量仪对焦斑的圆度进行测量，测得数据见表3。

表3 点加工圆度测量结果

图3 激光点加工测试结果

由图表可看出，经传统光学镜片传输后的光束作用于材料上的焦斑形态不圆、 边缘参差不齐，而通过光纤耦合系统的超快激光传输形成的焦斑圆度整体较高、一致性较好。 分析造成这种差异的原因是传统光学镜片使用环境密封程度不够、传输效果差，影响了光斑能量分布，造成了加工焦斑的差异；采用光纤耦合系统传输后，光束受外界因素影响小，光斑能量分布均匀，聚焦后形成的光斑质量好，从而改善了加工效果。

3.3 线加工测试

线加工测试常被用来观察和研究光束经系统传输后的像散情况。 设置激光功率5 W、激光频率250 kHz， 在焦点附近±2 mm 范围内于不锈钢板上进行线加工测试，得到的结果见图4。

图4 激光线加工测试结果

表4 是采用传统光学传输和通过光纤耦合系统的超快激光传输在不同离焦量下得到的线宽结果。 可见，采用传统光学元件传输的光束在不同的离焦量下， 圆环线在不同方向上的线宽存在差异，这说明光束存在像散现象， 且在距焦点2 mm 处不同方向的线宽差异最大，达到21 μm；超快激光传输下的聚焦光束在不同离焦量下像散程度不明显，在距焦点±1 mm 以内的线宽差异在 1～2 μm， 在距焦点±2 mm 处的线宽差仅在 6～8 μm。 这主要是由于相较于光纤耦合系统传输条件，传统光学镜片条件下镜片的安装环境、镀膜差异、镜片变形等原因会更高概率产生光束像散现象，直接导致加工结果的差异。

表4 线加工线宽测量结果

3.4 孔加工测试

为了验证光束在连续加工条件下的影响，设置激光器功率5 W、频率250 kHz，在0.35 mm 厚的不锈钢板上进行圆孔加工，通过测量圆孔前后表面的圆度，分析激光制孔的质量，得到的结果见图5 和图6，其圆度测量结果见表5。

图5 传统镜片传输下制孔效果

表5 孔加工圆度测量结果

图6 光纤耦合系统传输下制孔效果

由图表可见，在传统镜片传输模式下，由于激光束的像散、污染等不稳定因素影响，导致光斑在圆周方向上的加工焦点及能量密度存在差异，因此孔前后的表面圆度普遍较差，整体呈椭圆型；而通过光纤耦合系统后，孔的圆度效果均较好，这再一次证明了光束经光纤耦合系统后在材料表面连续加工所取得的结果要优于传统透镜传输模式。

4 结论

通过开发基于超快激光光纤传输的可调耦合系统，并对该系统下与传统镜片传输光路下的加工质量对比试验，得出以下结论：

（1）基于超快激光光纤传输的可调耦合系统传输效率更高，在不同功率的情况下，光束经过该耦合系统后效率可达80%以上，并且输出效率长期保持稳定。

（2）采用光纤耦合传输系统分别进行点加工、线加工、孔加工，加工结果相比传统光学镜片传输，点加工形成的焦斑整体圆度高、一致性好，线加工后像散现象明显减小，孔加工时加工出的孔圆度均好于传统光学镜片传输。 证明了光束经光纤耦合系统后在材料表面连续加工所取得的结果要优于传统透镜传输模式。