光束共享技術(shù)（激光束分配使用）是目前工業(yè)級(jí)固體激光器中最先進(jìn)的光纖傳輸技術(shù)。有兩種光束共享方法：分時(shí)共享和能量共享。

分時(shí)共享是指在不同的加工工序或工作平臺(tái)之間，交替使用同一臺(tái)激光器做光源。通常單一應(yīng)用的光源使用時(shí)間僅占激光器總開機(jī)時(shí)間的10%-20%，通過分時(shí)共享可以提高激光器的利用率。

能量共享是將激光分束，用于多種加工應(yīng)用。激光分束可以將能量均分也可以非均分，可以分成兩束也可以分成多束。當(dāng)激光功率足夠高時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)多工件并行加工，也可以對(duì)來自不同方向的工件實(shí)現(xiàn)同質(zhì)量加工，或者防止不一致的熱形變產(chǎn)生。

光束共享可以通過提高激光能量的利用率來節(jié)省開支，降低成本。光束共享技術(shù)為工業(yè)級(jí)固體激光器在全球市場中的成功應(yīng)用貢獻(xiàn)了巨大力量，這也讓工業(yè)級(jí)固體激光器在市場中的占比，要高于燈泵激光器、碟片激光器、光纖激光器和半導(dǎo)體激光器。

在引入光纖傳輸（FBD）技術(shù)之前，超快激光一直通過自由空間傳輸。使用空芯光纖在空氣或真空中傳輸超快激光，一方面可以克服損傷壁壘（損傷壁壘會(huì)阻止超快激光在階躍折射率光纖中傳輸）；另一方面可以降低一些非線性效應(yīng)（如色散和光譜展寬等），使皮秒和飛秒激光脈沖在傳輸時(shí)不發(fā)生變化。

當(dāng)使用自由空間傳輸時(shí)，必須盡可能減少對(duì)光束傳輸路徑的干擾，因此一般要求激光源要放置在加工平臺(tái)附近。有了光纖傳輸，激光集成的概念就發(fā)生了變化。這樣，短脈沖激光系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)共享和能量共享。

使用光束共享的工業(yè)級(jí)固體激光系統(tǒng)，輸出的通常是多模激光，因此當(dāng)用光纖傳輸時(shí)，對(duì)光學(xué)機(jī)械公差的要求要低得多。然而，當(dāng)用光纖傳輸超快激光時(shí)，需要非常精確地將單模激光耦合到空芯光纖的微結(jié)構(gòu)中。穩(wěn)定的光耦合是成功實(shí)現(xiàn)光纖傳輸?shù)那疤釛l件，因此要保證光束耦合進(jìn)光纖頭的公差限制在幾個(gè)微米以內(nèi)，光束指向性的變化要限制在毫弧度以內(nèi)。

光束共享需要在耦合光路中引入光學(xué)元件。通常用于能量共享的光學(xué)元件在光路中是固定不動(dòng)的，而用于時(shí)間共享的光學(xué)元件是可移動(dòng)的。光路中，用于光束偏轉(zhuǎn)的任何可移動(dòng)部件的位置偏差，即便是在微弧度范圍內(nèi)，都能對(duì)單模激光在光纖中的耦合效率產(chǎn)生很大影響（見圖1）。

圖1：光束共享的公差要求。

Movablemirror——可移動(dòng)偏轉(zhuǎn)鏡

Laser beam——激光束

Deflected laserbeam——偏轉(zhuǎn)光束

Beam launchingoptics——光束輸出元件

Fiber tip——光纖端頭

實(shí)現(xiàn)光束共享的挑戰(zhàn)在于：需要設(shè)計(jì)一種光束偏轉(zhuǎn)元件，一方面能夠滿足公差要求，另一方面要求在產(chǎn)品使用周期內(nèi)保持性能不變，這就意味著在不同的操作條件，光束偏轉(zhuǎn)元件的開關(guān)次數(shù)能夠達(dá)到1000萬到1億次。

系統(tǒng)組件

分時(shí)鏡模塊是分時(shí)共享系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。用于偏轉(zhuǎn)光束的鏡片安裝在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸上，通過這種方法，可以保證偏轉(zhuǎn)鏡可重復(fù)地將激光耦合到光纖端頭的同一位置（見圖2）。系統(tǒng)內(nèi)其余的傳感裝置可以隨時(shí)探測光束位置，確保激光安全使用。

圖2：分時(shí)鏡模塊。

Position detectors：位置探測器

Beam passing：光束路徑

Mirror mount：鏡架

Mirror：鏡片

Deflected beam：偏轉(zhuǎn)光束

Rotary axis：旋轉(zhuǎn)軸

圖3a是一個(gè)雙路分時(shí)系統(tǒng)，它可以將超快激光耦合到兩個(gè)獨(dú)立的光路中。該系統(tǒng)還包含了光束穩(wěn)定功能，可以補(bǔ)償激光系統(tǒng)使用過程中的光束指向變化或系統(tǒng)的熱沉降。此外，通過增加分時(shí)鏡模塊、光束傳輸及和光纜等部件，分時(shí)系統(tǒng)可以擴(kuò)展更多的輸出端口。

這種光束分時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)場合安裝使用，能夠搭載100W的飛秒激光使用。光束耦合效率和光束質(zhì)量不受分時(shí)系統(tǒng)的影響，相當(dāng)于直接用光纖耦合超快激光。圖3b分別列出了5m和10m長光纜的輸出功率。對(duì)于這兩根光纜，系統(tǒng)傳輸率都超過了90%。和預(yù)期的一樣，10m長的光纜傳輸率略低，這是由空心光纖的內(nèi)在損耗造成的。

?

圖3：雙路分時(shí)共享的光束輸出系統(tǒng)（a和b）及分時(shí)共享系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)（c）。

Auto alignment：自動(dòng)準(zhǔn)直

Input laser beam：輸入光束

Time-sharing mirror module：分時(shí)鏡系統(tǒng)

Beam path 光路

Beam exit：光束出口

Coupled laser light cables：耦合光纜

Power out：輸出功率

Minutes：分鐘

對(duì)于能量共享，難點(diǎn)在于設(shè)置各路光束的能量比為想要的值，如果需要，還要設(shè)置微調(diào)功能。分光比的調(diào)節(jié)是利用偏振分束鏡調(diào)節(jié)入射光的偏振來實(shí)現(xiàn)的。涂層對(duì)于分束鏡特別重要，必須保證光束在每個(gè)輸出端，保持與分光比無關(guān)的高光束質(zhì)量。圖4為雙路能量共享光束傳輸系統(tǒng)，兩束光能量比可以在40:60和60:40之間連續(xù)調(diào)節(jié)。通過增加更多的分束元件，該系統(tǒng)也可以擴(kuò)展出更多的輸出端口。

圖4：雙路能量共享系統(tǒng)。

現(xiàn)在，超快激光的光纖傳輸系統(tǒng)，已經(jīng)通過光束共享技術(shù)得到了增強(qiáng)。在不同的工作平臺(tái)及加工工件之間靈活地共享激光，不僅能降低激光器的安裝成本，而且還可以通過光纜外接另一個(gè)激光源。當(dāng)其中一個(gè)激光源出現(xiàn)故障時(shí)，加工平臺(tái)仍然可以正常工作。（盡管可能會(huì)增加整個(gè)工作周期）。

光束共享系統(tǒng)是為將來實(shí)施符合激光安全標(biāo)準(zhǔn)的光束出口狀態(tài)指示器和光纖連續(xù)性系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，這樣就可以在工件加工過程中，將4級(jí)激光輻射直接限制在激光單元內(nèi)。隨著工業(yè)級(jí)超快激光的功率越來越高，在光纖傳輸中使用光束共享技術(shù)，可以大大提高激光系統(tǒng)的利用效率。