“高斯”

众所周知,光纤激光器所激发光束的能量分布近似于“高斯分布”,所以也被成为“高斯”。

高斯光束的能量分布

理论解释

我们简单看一下光纤激光器的原理和构造,它是由泵浦源、多模耦合器 (合束器)、光纤光栅、有源光纤、光束校准输出模块以及无源光纤(能量输出光纤)等组成。当激光器内部只有一个泵浦模块时,就称之为单模激光器,而多个泵浦模块组合在一起,通过合束器让多束泵浦光进入有源光纤中,这样可以得到更高功率的光束,这种多模块组合的激光器就是多模激光器。因而,主流的光纤激光器产品中,单模激光器大都为中小功率,而高功率产品则多是多模激光器。

光纤激光器构造

区别

通过光纤激光器的构造,我们比较容易理解多模和单模的区别:单模的纤芯比较细,发出的是典型的高斯光束,能量非常集中,类似陡峭的山峰,光束质量也要优于多模;多模相当于是多束高斯光束的组合,所以能量分布近似一个倒扣的杯子,比较平均,当然光束质量较单模也要差一些。

1500W单模(上)和1500多模(下)对比

应用

基于这些特性,单模和多模的应用方向也有所不同,比如,在1mm及以下不锈钢/碳钢薄板的切割中,单模的加工效率明显优于多模(单模快15%~20%),且切割质量相近;而在2mm及以上的厚板切割中,无论是质量还是效率,高功率的多模激光器都表现更好。同样在焊接领域,热传导焊中,单模激光器可以得到更加均匀平滑的焊缝,所以一些薄材的焊接都采用单模激光器,比如软包动力电池成组时极耳的叠焊;而在深熔焊中,多模激光器能得到深宽比更优的焊缝,例如方形动力电池组Bus-Bar的焊接。

单模的热传导焊

多模深熔焊

总结

激光器的单模和多模特性是选择光纤激光器的一个重要依据,了解激光器的这些区别之后,今后的采购,生产加工和工艺试验等活动中,就可以根据这些区别合理的选择不同芯径,单/多模及功率大小的光纤激光器。