揭露激光脉冲参数补偿伪命题
武汉铱科赛科技 张立国
20180912
一、 前言
这段时间走访大陆几家软板企业，客户技术人员都提到进口紫外激光钻孔机的脉冲能量可以做到单脉冲能量补偿，并且深深迷信这一点，笔者深感无语。作为中国激光起源地武汉.中国光谷出来的华中科技大学激光重点实验室激光专业科班出身的毕业生，作为在中国激光微加工涉足十多个行业摸爬滚打十多年的紫外激光应用实践者，有必要写一篇科普文章揭露此事。
二、 YAG紫外激光器和YVO4紫外激光器的区别
首先外商软板钻孔机采用了YAG紫外激光器，但是目前紫外激光器占据市场绝对垄断地位的是YVO4紫外激光器，YAG紫外激光器市场份额估计不到百分之一，因此先需要区分Nd:YVO4与Nd:YAG比较的优势。
YAG晶体，由于晶体上能级粒子寿命长，因此可以获得脉冲能量，适合于做低频（典型30KHz以下）大脉冲能量激光器，也对应适合于做大脉冲能量紫外激光器。这是YAG激光器的优势。
YVO4晶体，由于晶体上能级粒子寿命短，因此脉冲能量做不大，但是YVO4晶体相对YAG晶体，在808nm左右的泵浦带宽，约为Nd:YAG的5倍，说明YVO4晶体对二极管泵浦源温度波动相对不敏感，稳定性可以做到更好；在1064nm处的受激发射截面是Nd:YAG的3倍，说明YVO4泵浦阈值可以比较低，可以获得更高功率，适合于高频高功率激光器，当然，也对应了高频高功率紫外激光器。
再者，YVO4光损伤阈低，晶体相对不容易打坏，YAG紫外激光器晶体相对容易打坏；高斜率效率，说明泵浦效率高，谐振腔热负荷会小；YVO4单轴轴晶体，输出为线偏振，天然适合于非线性转换，适合于做紫外谐波激光器，而YAG晶体是双轴晶体，做紫外激光器还需要偏振片处理，激光功率天然损耗一半，想做到高功率水平，需要非常大的泵浦功率，激光晶体需要承受非常大的热负荷，热量大了，什么都来了，正如人高血压后什么都来了一样，修修补补。
小结：高脉冲重复频率的YAG紫外激光器，由于增益不够，可以理解为激光器工作在阈值附近，激光脉冲就不稳定（表现在脉冲宽度、幅值、面积等不稳定），谐波转换进一步加剧激光脉冲不稳定性，因此激光器很难在搞脉冲重复频率下高稳定性工作；完全相反，高脉冲重复频率的YVO4紫外激光器，由于增益足够，非常适合于高频高功率条件下稳定工作。
三、 激光脉冲参数
激光脉冲，一般参数定义有：
1. 激光脉冲宽度，脉冲包络一半强度出的宽度（Full Width Hall Maximum），光电探头测试即可。
2. 脉冲幅值，这个一般用来测量脉冲能量稳定性，就是脉冲的高度值，光电探头测试即可。
3. 脉冲能量，它对应了激光脉冲包络的面积，测试更为复杂。
4. 脉冲能量稳定性 一般用RMS统计定义，对应绝对值波动，做的好的YVO4紫外激光器脉冲能量波动RMS实际值在1%，绝对值在8%以内；高频YAG紫外激光器，一般做到±10%的波动范围，甚至更大。
四、 激光脉冲参数监控补偿多此一举
首先，激光脉冲参数监控很容易引入噪声干扰，零点漂移，系统非常复杂，不是工业激光设备可以做到的，能够做到也是摆样子，没有实用性。
其次，如果监控脉冲宽度，脉冲高度就放过了；如果监控脉冲高度，脉冲宽度就被放过了，YAG紫外激光器由于高频工作时候增益不够，脉冲宽度和高度都在快速变化，因此这种监控根本不靠谱。
再次，假设监控激光脉冲面积，即监控脉冲能量，请问具体如何测试？复杂程度超越想象，基本判定不可能在工业市场应用。
还有，假设真稳定实现了测试激光脉冲能量，由于脉冲能量的波动是随机的，测试了这个脉冲能量，下一个脉冲能量是多少根本无法预测，无法预测的东西如何补偿？
最后，换一个角度讲，要做激光脉冲参数补偿，无外乎是为了稳定激光微加工，那么请问，即使把脉冲能量补偿好了，脉宽变化和高度变化不能补偿，激光峰值功率没有补偿，激光微加工有效光斑没有补偿，激光微加工最终效果就没有补偿。
声光器件是可以做到单脉冲控制，这个是几十年的老技术了，很多领域在用，但是从来没有用这个技术实现提高脉冲参数稳定性的工业案例，但是拿这个忽悠不专业的客户，实在无语。
总之，激光脉冲参数监控补偿，补偿什么参数，如何补偿，效果如何？这是一个典型伪命题。
五、 激光钻孔机台面激光功率调整方案
目前紫外激光钻孔机台面功率调整有三种方案：
1. 采用声光偏转器AOD改变衍射效率，改变台面激光功率，激光功率测量手段依然是激光功率计；
2. 采用玻片改变激光偏振态，从而改变偏振片的激光透射比例，从而改变激光设备台面功率大小，激光功率测量手段依然是激光功率计；
3. 采用激光功率控制因子直接改变激光器功率输出，从而改变激光设备台面功率大小，激光功率测量手段依然是激光功率计。
其中，调整激光功率大小的快慢，1和3选项是一样的，2是电机调整，要慢一些。但是请注意，激光功率测量手段依然是激光功率计，激光功率计有响应时间，因此，调整激光功率并最终确认的快慢，其实都差不多，由激光功率计响应时间决定，AOD再好，在这里还是慢慢等激光功率计测量。当然可以采用光电管测量激光功率，但是那个作为工业设备的测量手段不靠谱，笔者不认可。
六、 声光偏转器AOD担任激光的光开关
对于YAG激光器，特别是50KHz以上高脉冲重复频率的YAG紫外器，激光谐振腔内部热负荷非常大，一般都采用了激光长出光工作模式，激光器晶体寿命放在次要地位考虑，先考虑激光出光稳定性。声光偏转器AOD确实可以控制到每一个激光脉冲的外部开关，这个在皮秒激光器领域早就是异常成熟的技术，激光脉冲供选择是声光器件一个重要应用市场，只要愿意，谁都可以加一个声光调制器作为激光器得外部光开关，这个真没有任何技术难度，纯属成熟应用。不过，对于YAG紫外激光器而言，可能真需要这样一个外部光开关才好用，只不过，这是几十年前的技术方案。
但是对于YVO4紫外激光器，完全可以不需要外部光开关，就可以做到极好的出光响应。
总之，采用了AOD作为激光外部光开关，不是优势，是为了弥补YAG紫外激光器的一些工作缺陷而设置，YVO4紫外激光器不需要这些外部光开关。仅此而已，请不要忽悠客户，把缺点说成优点。
七、 总结
1、 不要忽悠客户，说可以做到脉冲参数，特别是脉冲能量补偿；即使能够补偿，也补偿不了微加工效果。
2、 不要忽悠客户，AOD可以作为YAG紫外激光器外光光开关，那只是弥补YAG紫外激光器得不足，YVO4激光器不需要这个。