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技術資料

光纖激光器優勢與其技術優越性

2011-08-04 返回列表

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器,光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開發出來:在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度,造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”,當適當加入正反饋回路(構成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。

光纖激光器應用范圍非常廣泛,包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接)、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設等等。

2.光纖激光器的優勢

光纖激光器作為第三代激光技術的代表,具有以下優勢:

(1)玻璃光纖制造成本低、技術成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優勢;
(2)玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配,這是由于玻璃基質Stark分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故;
(3)玻璃材料具有極低的體積面積比,散熱快、損耗低,所以上轉換效率較高,激光閾值低;
(4)輸出激光波長多:這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多;
(5)可調諧性:由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。
(6)由于光纖激光器的諧振腔內無光學鏡片,具有免調節、免維護、高穩定性的優點,這是傳統激光器無法比擬的。
(7)光纖導出,使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應用,使機械系統的設計變得非常簡單。
(8)勝任惡劣的工作環境,對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。
(9)不需熱電制冷和水冷,只需簡單的風冷。
(10)高的電光效率:綜合電光效率高達20%以上,大幅度節約工作時的耗電,節約運行成本。
(11)高功率,目前商用化的光纖激光器是六千瓦。

3.高功率的光纖激光器及其包層泵浦技術

雙包層光纖的出現無疑是光纖領域的一大突破,它使得高功率的光纖激光器和高功率的光放大器的制作成為現實。自1988年ESnitzer首次描述包層泵浦光纖激光器以來,包層泵浦技術已被廣泛地應用到光纖激光器和光纖放大器等領域,成為制作高功率光纖激光器首選途徑。

包層泵浦技術,由四個層次組成:①光纖芯;②內包層;③外包層;④保護層。如圖(1)所示,將泵光耦合到內包層(內包層一般采用異形結構,有橢圓形、方形、梅花形、D形及其六邊形等等),光在內包層和外包層(一般設計為圓形)之間來回反射,多次穿過單模纖芯被其吸收。這種結構的光纖不要求泵光是單模激光,而且可對光纖的全長度泵浦,因此可選用大功率的多模激光二極管陣列作泵源,將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內,大大提高了泵浦效率。

包層泵浦技術特性決定了該類激光器有以下幾方面的突出性能。

1、高功率

一個多模泵浦二極管模塊組可輻射出100瓦的光功率,多個多模泵浦二極管并行設置,即可允許設計出很高功率輸出的光纖激光器。

2、無需熱電冷卻器

這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作,只須簡單的風冷,成本低。

3、很寬的泵浦波長范圍

高功率的光纖激光器內的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素,有一個寬且又平坦的光波吸收區(930-970nm),因此,泵浦二極管不需任何類型的波長穩定裝置

4、效率高

泵浦光多次橫穿過單模光纖纖芯,因此其利用率高。

5、高可靠性

多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來其穩定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得激光器的斷面上的光功率密度很低且通過活性面的電流密度亦很低。這樣一來,泵浦二極管其可靠運轉壽命超過100萬小時。

目前實現包層泵浦光纖激光器的技術概括起來可分為線形腔單端泵浦、線形腔雙端泵浦、全光纖環形腔雙包層光纖激光器三大類,不同特色的雙包層光纖激光器可由該三種基本類型拓展得到。

OFC-2002的一篇文獻采用如圖2所示腔體結構,實現了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W,傾斜效率高達85%的新型包層泵浦光纖激光器[1]。在產品技術方面,美國IPG公司異軍突起,已開發出700W的摻鐿雙包層光纖激光器,并宣稱將推出2000W的光纖激光器。

4.新型的光纖激光器技術

早期對激光器的研制主要集中在研究短脈沖的輸出和可調諧波長范圍的擴展方面。今天,密集波分復用(DWDM)和光時分復用技術的飛速發展及日益進步加速和刺激著多波長光纖激光器技術、超連續光纖激光器等的進步。同時,多波長光纖激光器和超連續光纖激光器的出現,則為低成本地實現Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實現的技術途徑來看,采用EDFA放大的自發輻射、飛秒脈沖技術、超發光二極管等技術均見報道。

5.我國光纖激光器目前研究進展
2002年南開大學報道了在摻Yb3+雙包層光纖器中得到了脈寬4.8ns的自調Q脈沖輸出和混合調Q雙包層光纖激光中得到峰值功率大于8kW,脈寬小于2ns的脈沖輸出。

2003年南開大學報道了利用脈沖泵浦獲得100kW峰值功率的調Q脈沖,以及得到的60nm可調諧的調Q脈沖。

2003年11月20日報道,上海科學家在激光領域取得新成果,成功開發出輸出功率高達107W的光纖激光器。此激光器的全稱為“高功率摻鐿雙包層光纖激光器”,與目前已有的激光器相比它的維護費用和功率消耗都要低得多,壽命是普通激光器的幾十倍。該課題組的負責人之一樓祺洪研究員告訴記者,激光打印有著廣泛的應用前景,與市民生活直接相關的如食品的生產日期、防偽標志等,若以激光打印代替現在的油墨打印清晰度高、永不褪色、難以仿冒、利于環保,具有國際流行的新趨勢。上海科學家研制的光纖激光器使光纖激光輸出功率又上升了一個新臺階,最大輸出功率達107W,已經遙遙領先于全國同行。

2004年,南開大學又報道了連續泵浦206kW峰值功率的調Q脈沖。

2004年12月3日,烽火通信報道,繼推出激光輸出功率達100W以上的雙包層摻鐿光纖后,經過艱苦的攻關再創佳績,將該類新型光纖的輸出功率成功提高至440W,達到國際領先水平。這是烽火通信在特種光纖領域邁出的重要一步,同時也是我國在高功率激光器用光纖領域的重大突破。摻鐿雙包層光纖激光器是國際上新近發展的一種新型高功率激光器件,由于其具有光束質量好、效率高、易于散熱和易于實現高功率等特點,近年來發展迅速,并已成為高精度激光加工、激光雷達系統、光通信及目標指示等領域中相干光源的重要候選者。雙包層摻鐿激光器的主要激光增益介質是雙包層摻鐿光纖,因此雙包層摻鐿光纖的性能直接決定了該類激光器的轉換效率和輸出功率。烽火通信作為國內唯一一家進行雙包層摻鐿光纖研究的單位,在成功推出輸出功率達100W以上的完全可商用的雙包層摻鐿光纖產品后,又加大的研發力度,使得其輸出功率實現440W以上,達到國際領先水平。

6.結論
光纖激光器作為第三代激光技術的代表,具有其他激光器無可比擬的技術優越性。不過,我們認為,在短期內,光纖激光器將主要聚焦在高端用途上隨光纖激光器的普及,成本的降低以及產能的提高,最終將可能會替代掉全球大部分高功率CO2激光器和絕大部分YAG激光器。

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