光纤激光研究和技术发展现状.ppt

激光研究的最新发展趋势,前言,2010是激光诞生50周年激光已从实验室走向市场新型激光技术不断推动激光发展,激光研究的最新发展趋势,日本产业振兴协会(IndustryPromotionAssociationofJapan)在中国调查的光电子领域：光学设备和材料：THz、中红外、可见到紫外波段新材料；光通信材料：光子网络、局域网光纤、量子密码通信、空间光无线通讯；光存储和光信息处理：母盘制作和复制、蓝光光盘、新一代大容量存储技术；显示器：包括液晶显示、有机发光电子纸张显示、投影显示；用户界面：图像传感、防灾系统、光生物测定、家庭安全保密设备；激光应用和光学测量：新型激光源、光纤传感、激光冷却、激光加工；光伏技术：薄膜电池、有机光伏电池、高效光伏电池；环境光子学；照明技术，LED白光照明。,激光研究的最新发展趋势,以透明陶瓷为代表的新型激光材料以光纤激光为代表的新型激光结构以掺铥光纤激光为代表的新激光波长激光技术在光伏太阳能产业中的应用,透明激光陶瓷的研究历史和优点透明激光陶瓷的进展1.高效率陶瓷激光器2.高功率陶瓷激光器3.大能量陶瓷激光器4.超短脉冲陶瓷激光器5.全陶瓷自调Q陶瓷激光器6.陶瓷光纤理想激光材料的展望,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,陶瓷,意为“煅烧的材料”，已经存在了数千年。随着文明的进程，人类最终创造了透明多晶光学陶瓷，现在我们可以利用它们作为增益介质来形成激光振荡。,透明光学陶瓷中，散射是最大的光损耗过程。多种散射源包括微孔、颗粒边界、单个颗粒内的结构梯度以及光学各向异性材料的相和晶格缺陷等均能使局部折射率变化。,同单晶相比，具有如下制备优势：大尺寸块体，形状可控。(2)掺杂浓度高、光学均匀性好。(3)烧结温度低，制备周期短，成本低，可大规模生产。(4)可设计制备出多功能和复合结构的陶瓷。,同玻璃基质相比，具有如下材料优点：(1)热导率高，是玻璃材料的数倍，有利于降低热效应；(2)陶瓷的熔点远高于玻璃的软化点，能承受更高的辐射功率;(3)陶瓷激光器输出激光的单色性比玻璃激光器好；,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,1.1高效率陶瓷激光器,2004年，中科院光机所采用超均匀侧面泵浦技术在1at.Nd：YAG陶瓷棒中获得输出功率236W，斜率效率62的连续激光输出,2006年柏林大学芯掺杂高效率Nd：YAG陶瓷激光器，140W，斜率效率67,1.1高效率陶瓷激光器,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,1.2高功率陶瓷激光器,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,2006年，美国LLNL实验室采用Sm3包边Nd：YAG复合结构陶瓷热容激光器实现了5Hz，67kW激光输出，持续时间10s。,Sm3包边Nd：YAG结构抑制ASE效应的原理,1.2高功率陶瓷激光器,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,1.3大能量陶瓷激光器-低温冷却的Yb:YAG陶瓷激光器,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,未来大能量激光核聚变驱动器正从ICF向IFE发展，要求激光材料具有高的抗热冲击参数和大受激发射截面和大口径。采用低温冷却的Yb晶体取代Nd玻璃是一种新型的设计理念。激光陶瓷可获得大口径，高掺杂，且热机械性能更为优越，是理想的可取材料。,受激发射截面和抗热冲击系数随温度可调能够实现高效能量提取能级结构激光系统，无激发态再吸收在LD泵浦下高激光增益良好的热机械特性可以高平均功率运,日本大阪大学计划在16Hz重复频率下获得MJ量级激光输出功率，光学转换效率约12,1.3大能量陶瓷激光器-低温冷却的Yb:YAG陶瓷激光器,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,Yb：YAG陶瓷ICF驱动系统示意图,1.4超短脉冲陶瓷激光器,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,Yb：Y2O3和Yb：Lu2O3陶瓷材料具有宽的发射带宽,是理想的飞秒激光器材料Yb：Y2O3188fs锁模脉冲Yb：Lu2O3357fs锁模脉冲,1.4超短脉冲陶瓷激光器,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,2004年,日本World-Labo.实验室Yb:YSAG透明陶瓷，获得脉冲宽度280fs，平均输出能量为62mW的锁模脉冲激光输出,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,微芯片Nd3+，Cr4+：YAG双掺杂自调Q全陶瓷激光器其中Cr4+作为调Q开关,1.5全陶瓷自调Q脉冲激光器,1.6Nd：YAG陶瓷光纤,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,陶瓷的热机械性能和可承受的功率密度优于石英光纤-高功率,Nd：YAG陶瓷光纤的形态,陶瓷光纤激光器与普通光纤激光器的斜率效率,1.6Nd：YAG陶瓷光纤,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,理想激光材料的展望：陶瓷综合了单晶和玻璃两者的优势（良好的材料和光学特性）。激光陶瓷还可以便捷的制备，实现多层、多功能“AllinOne”的复合结构，给予了高性能固体激光器前所未有的高性/价比和便捷灵活的设计,1、以透明陶瓷为代表的新型激光材料,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,对于传统的棒状工作物质在高功率时，存在严重的热透镜效应和热致双折射，导致光束质量下降,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,光纤激光器的众多优点决定了它是未来高功率高光束质量全固态激光系统的可靠选择之一，很有可能取代现有的CO2激光器和YAG激光器。,1、易于散热-增益介质的表面积/体积比大2、光束质量好-优异的双波导限制机制，3、固有的全封闭柔性光路4、光路具有免维护性5、光电效率高20-30%-LD（10-15%）6、寿命长7、体积小重量轻8、输出功率大9、节水节电成本10、造价不断降低,光纤激光器的结构光纤激光器的应用领域1.激光加工对激光器的要求2.低功率光纤激光器的应用3.中功率光纤激光器的应用4.高功率光纤激光器的应用光纤激光器发展历史和现状光纤激光器发展趋势,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,光纤激光器在数千瓦仍有可能保持单模，常规固体激光器是不可能实现的,半导体泵浦全固态光纤激光器基本结构,泵浦系统,耦合系统,光纤及输出系统,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,Photoniccrystalfiber：PCF光子晶体光纤,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,不同类型激光器参数对比,激光加工激光束作用于物体的表面而引起的物体的变形，或物体的性能的改变的加工过程。按光与物质相互作用机理，大体可将激光加工分为激光热加工和激光光化学反应加工（冷加工）两类。优点：热影响小，不受电磁干扰，易于导向、聚焦和发散。激光热加工的光源主要采用红外激光器，如CO2激光器、和Nd:YAG激光器，现在主要用于汽车工业、钢铁工业、轻纺工业和电子工业的各类加工。激光光化学反应加工的光源主要采用紫外激光器，如准分子激光器，迄今已成功地应用于半导体工业。,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,1.激光加工对激光器的要求,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,激光加工对激光器的模式和功率有很高的要求,波长：不同波长，有不同用途。如：紫外光对光刻很有用，1.08微米波长的激光能被大多数材料吸收，适于切割和焊接金属，FiberLaser的波长为激光加工的发展提供了广阔的应用前景。横模模式：决定激光光波场在空间的展开度，不同的加工种类和加工要求对激光能量分布有相应要求。如切割和焊接要求基横模，淬火却要求高阶模。目前，FiberLaser输出的插头效率在20%30%之间。,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,激光加工对激光器的模式和功率有很高的要求,功率：工件表面某点吸收能量的多少依赖于激光输出功率和激光辐照时间；FiberLaser的功率输出已达千瓦级，可以满足多种激光加工的需要。偏振特性：激光偏振特性影响材料的吸收特性，进而影响激光加工时材料吸收能量的份额。光纤激光的基波发射一般在1.08m左右，输出偏振特性不明显；采用保偏光纤可以获得偏振输出。,不同的应用对光束质量的要求,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,2、以光纤激光为代表的新型激光结构,光纤激光器的主要应用之一：微加工,（打标、雕刻、调阻等）低功率ms)高量子效率商业LD泵浦(780-795nm),吸收一个泵浦光子,上能级两个光子,交叉弛豫,掺铥光纤的吸收谱（左）与发射谱（右）,三种泵浦方式：790nm（LD）；1300nm（Nd激光器）；1600nm（Er激光器）。,3.以掺铥光纤激光为代表的新激光波长,3.以掺铥光纤激光为代表的新激光波长,近年来掺Tm光纤的高功率激光进展,3.以掺铥光纤激光为代表的新激光波长,双向泵浦的掺铥光纤激光器实验装置,烽火科技光纤：纤芯直径25微米，纤芯NA为0.08；内包层为D型结构，尺寸为400微米。光纤长度3.5米,SIOM掺铥光纤激光器：,SIOM中红外光纤激光器的研究,不同长度的掺铥光纤激光器的输出光谱,3.5m长的光纤激光器在不同输出功率时的光谱,掺铥光纤激光器可以实现高的连续功率输出（50W）；掺铥光纤激光器输出的光谱在高功率下比较宽,，工作波长不稳定，不利于直接作为3-5m的中红外固体激光器的泵浦源；中红外激光器的光参量振荡泵浦源，对线宽、波长、线偏振、及高重频的脉冲有要求，需对掺铥光纤激光器作进一步研究及改进。,太阳能：可再生清洁能源,电网等价点,太阳能电价,常规能源电价,4.激光技术在光伏太阳能产业的应用,4.激光技术在光伏太阳能产业的应用,激光技术,快速、精确可控、零接触,薄膜化,工艺简化,提高产能,增强吸收,表面处理,优化电极,高效率,低成本,叠层、聚光,太阳能电池,4.激光技术在光伏太阳能产业的应用,激光刻槽/边缘隔离,激光打孔/激光烧结电极,激光划线（薄膜电池）,激光表面织构,体硅,激光切割,4.激光技术在光伏太阳能产业的应用,下面以高重频脉冲光纤激光器在太阳能电池领域的应用为例介绍,1、脉冲调制的单模LD、2、固体激光调Q、3、光纤激光声光调Q,种子光-振荡放大（MOPA）结构高性能小功率激光器双包层光纤做为功率放大器,主要优点：脉冲参数可调（重频、脉宽、波形、脉冲能量）,4.激光技术在光伏太阳能产业的应用,4.1激光在硅片上打孔：Why?,背接触型硅电池EWT、MWT3000个/s1520个脉冲/孔目标：20%,通过孔连通发射极或前电极与金属背电极，进一步降低屏蔽损耗，提高光一电转换效率。,4.激光技术在光伏太阳能产业的应用,平均功率80W，重复频率80kHz，脉冲宽度700ns的脉冲光纤激光器以上输出脉冲参数可按需要精确调节。,4.1光纤激光器在硅片上打孔,4.激光技术在光伏太阳能产业的应用,4.1激光在硅片上打孔：LaserZentrumHannover,Germany,4.2激光在薄膜电池上划线,4.激光技术在光伏太阳能产业的应用,4.激光技术在光伏太阳能产业的应用,4.2光纤激光在薄膜电池上划线,20W脉冲光纤激光器在玻璃上的钼层(用于CIGS背电极)高速扫描显微图,高重复频率的脉冲光纤激光及其倍频绿光激光的光束质量好，