光纖雷射

Posted on 2015/04/28 in 物理, 現代科技簡介 Introductory Modern Technology, 現代科技簡介 Introductory Modern Technology with 沒有迴響 17,156 views

光纖雷射(Fiber Laser)
國立臺灣師範大學陳羿蓁

雷射的種類繁多，例如釔鋁石榴石雷射(YAG laser)、二氧化碳雷射、二極體雷射、光纖雷射等。不同形態的雷射由於激發介質、增益介質和共振腔的不同，其特性也各不相同，被各種材質吸收的程度當然也有所不同。

雷射早在約1960年就被發明，不久便有科學家想到要用低功率二極體作為激發介質，讓雷射在玻璃光纖裡面邊傳遞邊放大，最終得到所謂的「光纖雷射」。不過礙於那時候的科技限制和元件成本高，光纖雷射只用於實驗室研究，並不被市場上所接受。一直到2003年左右，低功率二極體的技術逐漸發達且成本降低，光纖雷射才跟著此趨勢廣泛應用在市場上。也因為光纖雷射的傳遞過程單純、就光源本身使用上是零耗材、效率又高，眾多的優勢讓光纖雷射成為目前雷射市場的主流。

圖1 (陳義裕繪) 光纖雷射構造示意圖 (注意！因為真實雷射是近紅外光，非肉眼可見，所以圖中雷射光的顏色只是示意)

光纖雷射最簡單的構造如圖1所示：光纖分為三層，扮演「幫浦」角色的光線從光纖一端或側面輸入，使其在光纖內傳播(「幫浦」光線可以方便地由波長較短的低功率二極體雷射提供)。當此光線通過以特殊材質製作的中心軸時，便會「激活」物質，從而誘發發射出雷射光。由於中心軸的折射率比周遭材質的折射率高，所以誘發出來的雷射會被限制在中心軸內朝前方傳播並沿路放大(如圖2)。

圖2 (陳義裕繪) 光纖雷射運作原理

光纖雷射的波長為1064nm，屬近紅外光，為不可見光(如圖3)，因此在加工時通常會配有紅光導引，確定雷射出光的位置。工業用的雷射都屬第四級安全等級(最危險的等級)，不論是直接照到人體或是反射、散射都會對人體造成傷害，因此雷射在出光時必須有防護的安全措施，如護目鏡等，避免危險。

金屬對於光纖雷射的波段吸收率特好，故光纖雷射適合做薄板金屬的加工。很特別的是他種雷射不敢加工於高反材質如紅銅、黃銅等，光纖雷射卻可以，原因是光纖雷射的傳遞過程中無鏡片，輸出光纖的設計又是由細到粗，所以在加工高反材質時，反射回來的能量傳不進最初產生雷射的玻璃光纖裡。也由於整個傳遞過程都是在玻璃光纖裡，光纖雷射較不受溫度、濕度的影響，也不怕移動和晃動，對於環境忍受度相當高。

其實我們的生活中周遭的物品，都充斥著光纖雷射下的產物。如果你拿i-phone手機，翻過去一看，那被咬一口的蘋果圖案、雷雕的文字，便是使用光纖雷射；亦或是你每天騎的腳踏車，那些金屬管材的切割與焊接，也是使用光纖雷射；電腦裡面的ic元件、印刷電路板(pcb)等精密的電子物件所需的劃線、鑽孔、點焊，也是使用光纖雷射。

光纖雷射從科學成為科技，至今已是一項非常強大且成熟的工業產品，在各種精密加工領域大放異彩。光纖雷射可搭配不同的光學配置，如:切割專用加工頭、焊接專用加工頭、振鏡(scanner)，可做切割、焊接、雕刻、鑽孔、拋光、表面處理等應用。像最近很夯的金屬3d列印，也是使用光纖雷射-燒結(sintering)的技術，也就是在列印槽鋪上一層金屬粉末，以雷射燒結欲列印的部分，然後列印槽往下沉，再鋪上下一層粉末繼續燒結，透過不斷地重複鋪粉、燒結、鋪粉、燒結的動作，就可將一層一層的金屬熔成形。

光纖雷射優質的光束品質、精準卓越的性能、快速的生產效率和易整合於機構的特性，對業者來說無疑是最好的選擇，也由於其光電轉換效率(30%至40%)比起他種雷射(15%)還要高，且零耗材免維修的性質，整體的使用成本較低，因此光纖雷射在材料加工、通訊、醫療、科學研究等多種先進領域中扮演十分重要的角色。現今的技術，已能透過連接不同機構，使用同一個光纖雷射源，在板材上同時做切割和焊接的動作，減少了許多加工製成，大幅提升生產效率，其廣泛的應用為科技領域帶來新的一波革命，也讓傳統加工領域為之改變。

光纖雷射這個從實驗室到工業化的產品，帶給人類更多方便，不只是工業上程序的變革，更是改變大家對整個加工過程中的思想革新化，光纖雷射無疑是工業科技的歷史裡，一個相當重要的里程碑。

參考文獻