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光纤激光器及其应用 1 目录 引言光纤激光器基本结构及主要特点高功率光纤激光器及其研究进展高功率光纤激光器的应用展望 2 激光器问世不久 美国光学公司 Americanopticalcorporation 的Snitzer和Koester于 年首先提出光纤激光器和放大器的构思 年高锟和Hockham提出了光纤通信的基本概念 年后光纤通信经历研究开发阶段 实用化阶段 迅速进入 年以后的大规模光纤通信建设阶段 一 引言 3 随着光通信的迅猛发展 光纤制造工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟 为光纤激光器和放大器的发展奠定基础 英国的南安普敦大学和通讯研究实验室 德国汉堡技术大学 美国的PolaroidCorporation Bell实验室 日本的 均在光纤激光器研究中取得许多重要成果 4 近年来 美国IPGPhotonics公司异军突起 不仅展示 Bands的各种光纤放大器 高功率的 Raman光纤激光器和双波长Raman光纤激光器 更引起国际关注的是该公司已推出各种商用掺Yb高功率光纤激光器 最大功率达1万瓦 单模输出功率高达1000W 光束质量非常好 M2小于1 1 5 高功率光纤激光器具有光束质量好 寿命长 转换效率高的优点 其主要性能已明显优于半导体激光泵浦固体激光器和CO2激光器 从发展态势看 光纤激光器不仅在光纤通信领域有重要的应用而且迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展 这是一类已经取得技术突破 正在向技术的广度和深度迅速发展的 有重要应用前景的激光器 6 二 光纤激光器基本结构及主要特点 谐振腔腔镜可为反射镜 光纤光栅或光纤环 光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同 如下图所示 7 光纤激光器大致可分为三类 稀土元素掺杂光纤激光器掺杂离子可为Nd3 Er3 Yb3 Tm3 等 基质可以是石英玻璃 氟化锆玻璃 磷酸盐玻璃 单晶 光子晶体光纤等 染料光纤激光器纤芯 包层或二者加入激光染料 非线性光纤激光器利用光纤中的SRS SBS非线性效应产生波长可变换的激光 8 光纤激光器的主要特点 1 光纤作为导波介质 纤芯直径小 纤内易形成高功率密度 可方便地与目前的光纤通信系统高效连接 构成的激光器具有高转换效率 低阈值 高增益 输出光束质量好和线宽窄等特点 2 由于光纤具有极好的柔绕性 激光器可设计得相当小巧灵活 结构紧凑 体积小 易于系统集成 性能价格比高 9 3 由于光纤具有很高的 表面积 体积 比 散热效果非常好 所以光纤激光器可以工作在 20 70 的环境温度内 不需要庞大的水冷系统 只需简单的风冷即可 且可在恶劣的环境下工作 如在高冲击 高震动 高温度 有灰尘的条件下正常运转 4 具有相当好的可调谐参数和选择性 能获得宽调谐范围 380nm 3900nm 和相当好的单色性和高稳定性 使用寿命长 平均无故障工作时间在10kh甚至100kh以 5 采用特殊的器件结构可获得高功率输出或超短脉冲输出 10 三 高功率光纤激光器及其研究进展 光纤激光器不仅与固体 气体 半导体激光器等相比 有非常明显的优越性 而且与二极管泵浦固体激光器相比 也有更好的光束质量 可得到更小的聚焦光斑 随着光纤激光器应用的更加广泛 对高功率光纤激光器的需要越来越大 为了获得高功率输出 关键之一是包层泵浦技术 Claddingpumpedtechnology 11 双包层光纤激光器 双包层掺杂光纤的构形如下图所示 12 双包层掺杂光纤由纤芯 内包层 外包层和保护层四个层次组成 内包层的作用 一是包绕纤芯 将激光辐射限制在纤芯内 二是将泵浦光耦合到内包层 使之在内包层和外包层之间来回反射 多次穿过单模纤芯被其吸收 在双包层结构中 泵浦光的吸收率和内包层的几何形状和纤芯在包层结构中的位置有关 此外 泵浦光被掺杂稀土离子的吸收率正比于内包层和外包层的面积比 13 美国IPG公司相继推出输出功率为700W 2KW和10KW的掺Yb双包层高功率光纤激光器产品 为了提高光纤激光器的输出功率 可采用多组宽带区多模半导体二极管作为泵浦源 其基本结构如图所示 14 15 高功率光纤激光器关键技术 1 产生激光的特种光纤 Yb dopeddoublecladdingfiber 2 光纤光栅 激光腔 3 大功率激光二极管 泵浦光 光纤输出 4 多路泵浦光注入耦合系统 5 多路光纤激光合波器 16 IPG公司已经推出的部分产品 17 IPG万瓦级光纤激光器 18 IPG公司高功率光纤激光器主要指标 19 国内研究概况 国内有众多的高校和研究所在进行掺镱双包层光纤激光器的研究工作 目前 取得了一些可喜的成绩 1 今年7月份 上海光机所在继去年11月份得到百瓦功率之后 又获得了200W的输出功率 光 光转换效率接近70 在该项目的研究中 已经申请了十几项专利技术 20 国内研究概况 2 南开大学在研制出短脉冲光纤激光器的同时 大胆创新 率先研制出了双包层光纤光栅 为双包层光纤激光器的全光纤化研究 迈出了重要的一步 3 武汉烽火通信成功推出了完全达到商用水平的双包层掺镱光纤产品 据悉 通过上海光机所试用 其斜率效率达到66 以上 在选用合适的光纤长度和泵浦功率的条件下 可实现100W以上的激光功率输出 达到国际先进水平 21 值得一提的是 近1 2年内 国内外掀起了光子晶体特别是光子晶体光纤的研究热潮 由于其独特的结构和导模机制使光子晶体光纤具有许多普通光纤所不具备的优越特性 根据不同的特性 有望研制出各种光子晶体功能器件 比如光子晶体光纤光栅 光子晶体衰减器 激光器和放大器等等 目前国外有多家公司有晶体光纤产品 比如丹麦晶体光纤公司推出了 双包层高数值孔径掺镱晶体光纤 这种光纤可以用在光纤激光器或光纤放大器中 另外由于该光纤具有光敏性 还可以在其上刻写光纤光栅 晶体光纤应用于光纤激光器中 22 该公司DC 420 23 Yb型双包层高数值孔径掺镱晶体光纤 23 国内燕山大学 电子科技集团公司46研究所和上海光机所等单位也在开展光子晶体光纤方面的研制工作 其中燕山大学有一些初期的产品 今年6月份 上海光机所在大芯径单模光子晶体光纤研制中获新进展 成功地拉制出芯径达40 m的单模光子晶体光纤 北邮 北半 南开大学 深圳大学以及北方交通大学等研究所和高校开展了晶体光纤功能器件等的研究工作 取得了一些初步的成功 今年4月深圳大学成功研制出了15W光子晶体光纤激光器 24 四 光纤激光器的应用 高功率掺镱光纤激光器 HPFL 与目前激光加工中常用的二氧化碳激光器 CO2 光泵YAG LP YAG 半导体泵浦YAG激光器相比 表现出突出的优点 特别是电光转换效率高 光束质量好 泵浦源寿命长 使用方便 环境适应能力强 空气冷却等优点 使它在激光应用技术领域中呈现出美好的应用前景 25 表1几类激光器性能的比较 26 光纤激光器可用于材料加工和制造 不同材料加工所需光纤激光器功率如下 金属切割 500w 2kw 金属焊接和硬焊 500w 20kw 金属淬火和涂敷 2 20kw 玻璃和硅切割 500w 2kw 聚合物和复合材料切割为200w 1kw 快速印刷和打印 20w 1kw 软焊和烧结为50 500w 消除放射性沾染为300w 1kw 27 材料加工应用范围与激光功率 光束参数关系示意图 28 高功率材料加工 29 经过实验 发现高功率光纤激光器与灯泵和半导体泵浦的YAG激光器相比 具有以下优点 30 激光打标包括半导体芯片 晶元片 集成电路 电子器件 医疗器件 手机 计算机键盘 仪器面板 按键 服装钮扣 香烟 食品包装等 CO2和YAG激光器 体积大 高功耗 短寿命 高维护费用 使用不方便 掺镱光纤激光器 体积小 低功耗 长寿命 低成本 免维护 光束质量好 工作面处功率密度高 光纤传输到工作面 使用方便 31 深圳大族激光YLP 10光纤激光打标机 32 YLP 10光纤激光打标机技术参数 33 在线打标 34 激光雕刻 精密电子元器件 35 精密金属标刻 36 医疗器械精密切割 在医用仪器中 实用化的典型例子有扩张器 内窥镜和导管等的加工 所谓扩张器 就是治疗闭塞性疾病的器具的总称 例如冠状动脉血管用的扩张器 此外 还有胆管 食道 气管 前列腺用的扩张器等 利用扩张器治疗疾病源于美国 目前 我国没掌握心血管支架 coronarystent 的加工技术 进口支架价格昂贵 一个进口支架的价格就将近2万元 整个手术的费用高达10多万元 国内很多患者不能得到治疗 据卫生部统计 我国需要接受心血管手术的病人已达400万人 但全国每年的手术量尚不足4万例 37 一般地 支架尺寸非常小 比如血管支架的主要参数为 直径0 8 2mm 壁厚0 08 0 4mm 网线宽度0 05 0 07mm 切割加工精密 5 m 这就要求激光器必须有非常好的光束质量 M2接近于1 以及非常小的聚焦光斑直径 小于15 m 另外 还要求激光器的稳定性好 所有这些 都只有光纤激光器才能达到要求 比如用YAG激光器切割出来的支架 表面有毛刺现象 而且热影响区大 影响了支架的弹性 38 39 心脏支架的切割及其应用 40 41 六 展望 光纤激光器的优良性能 决定了它比半导体激光器和大型激光器拥有更多的优势 其应用范围越来越广阔 为满足快速增长的巨大的市场需求 美国 西欧 日本和我国都已纷纷加大了光纤激光器的研发力度 在目前 国外已有较成熟的产品 如IPG公司的系列产品 并已开始进入我国市场 而国内至今尚无正式产品面市 当务之急 一方面着力开展光纤激光器的应用 寻找最适用的应用领域和市场 一方面着手加快国内光纤激光器的研发 已有研发基础的单位应加快与企业合作 根据市场需要推出国内首批产品 42 关于光纤激光器的研发 应从应用过程中加深对器件的了解和认识 根据使用反馈 不断改进和完善器件的结构和性能 为进一步推广光纤激光器的应用关键在于不断降低产品成本 开始时应用的着眼点可放在高档次产品上 在发展光纤激光器产品的过程中可能推动高功率半导体二极管产业的发展 为