高功率光纤激光器及其工业制造领域的应用

高功率光纤激光器及其工业制造领域的应用 2015 报告内容 一、光纤激光技术简介 二、高功率光纤材料与部件 三、高功率光纤激光器研发及产业化 四、在工业领域的典型应用 高功率光纤激光简介 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 提高激光功率 高光束质量 高亮度 以细长的光纤为工作介质 散热 光束质量 光纤激光的主要特点 效率高、热管理方便 70） 产生的热量少 表面积 /体积比大 有助于散热 光束质量好 模式由波导结构限制 热畸变 双折射畸变 全光纤化、使用方便 全固态、结构紧凑、输出功率高等 化学激光器 固体激光器 光纤激光器 工作介质 （ F ）气流 棒状、片状、板条 波导光纤 输出功率 可达兆瓦级 多路相干， 100纤，单模，万瓦 光束质量 较好 较差 近衍射极限 电光效率 化学能 拥有 10181064108011201550940啾、均匀）；掌握了切趾技术，波长微调技术 10 65 0 65 0 66 0 66 0 66 0 67 0 67 av n m)高反快轴 ( R 9 9 % )高反慢轴 ( R 9 9 % )低反慢轴 ( R 98%,耦合功率 5高功率下尚未验证 3.(6+1)*1信号 /泵浦合束器， 单臂泵浦耦合效率 单臂 耦合功率大于600W， 信号光功率大于 500W。更高功率下尚未验证 高功率光纤核心部件、关键技术及工程化 融熔加热温度与拉伸速度联动控制 全自动控制系统 控制有效温区长度改变锥区 形状 温度随着光纤直径而变化 拉伸速度随着光纤表面 张力而变化 熔拉温度，熔拉速度的时间关系图 6 全光纤高功率放大技术研究 2008年开始全光纤千瓦级光纤激光器的研发，并实现全光纤千瓦级输出； 2013年单纤单模 、高功率光纤激光器的研发和产业化 产品化： 市场需求； 全光纤化路线； 高功率、高光束质量 关键技术和工艺 核心材料或器件支撑 千瓦级第一版样机 2010年 3月参加十一五成果展 全光纤激光器整机集成技术 千瓦级第三版 千瓦级第二版 上海市计量测试技术研究院 发展了特种光纤处理新工艺，解决了核心部件的国产化、大芯径光纤的低损耗熔接等技术难题 全光纤化、高功率： 光纤涂覆去除、光纤对准熔接、光纤再涂覆保护 先进的特种光纤处理和熔接工艺，规范的操作工艺流程；高功率光纤激光器可靠性的保证。 泵 浦 光泵 浦 光高 折 射 率 光 学 凝 胶内 包 层纤 芯信 号 光散 热 金 属 板熔 点再 涂 覆 层旧 涂 覆 层 剥 除 面( b )s c e 光纤端面处理、熔点、保护处理不当；高功率下光纤烧蚀，会殃及其他器件 熔 接涂 覆 层内 包 层纤 芯涂 覆 层内 包 层纤 芯热 扩 散 芯发明大芯径光纤激光的模式控制技术，研究了粗芯多模光纤的模式不稳定性问题，实现了高功率单模输出 常规的单模纤芯双包层光纤的输出功率限制在数百瓦量级，千瓦级输出需采用多模大纤芯的光纤；导致输出激光为多模的，光束质量不好！ 多模大芯光纤 技术难题 光纤缠绕法：利用模式的宏弯损耗特性 H T 9 7 5 n 1 0 5 0 1 1 5 0 n mY b - d o p e d D C H R 1 0 5 0 1 1 5 0 n 5 n m mR e s i d u a l p u m p 9 7 5 n 9 7 5 n 1 0 5 0 1 1 5 0 n mF o c u s i n g l e n n i f e e d g eP o w e r M e t e rC o l l i m a t i n g l e n 区 光 纤 纤 芯 示 意 图光纤拉锥法 发展了中心波长和光谱宽度的精确调控技术，解决了非线性等引起的光谱展宽及功率提升受限问题 在相干合成、光谱合成和相干探测等中，对中心波长和带宽要求很高；但对单频光纤放大，由于光纤介质细长，受激布里渊散射（ 应，是限制其功率提升的瓶颈。 10 65 0 65 0 66 0 66 0 66 0 67 0 67 av n m)高反快轴 ( R 9 9 % )高反慢轴 ( R 9 9 % )低反慢轴 ( R 500瓦 调制频率最高 200 适用于高反低熔点材料切割 调制脉冲波形，蓝色为调制电流波形，黄色为光信号波形 1000W 脉冲峰值 3000W 4954974995015035055075090 ) 时间 (h) 功率波劢的周期和水冷机温度波劢（ ），降低温度波劢将会进一步提高功率稳定度 1002003004005006000 200 400 600 800信号功率(W) 泵浦功率 (W) 信号功率 转换效率 陶瓷划线 材料： 1划线厚度： 光器： 率： 50K 度： 3m/陶瓷切割 材料：陶瓷 厚度： 1光器： 率： 50K 度： 金属切割 激光器： 00w 材料：碳钢 厚度： 6 速度： 1m/光器： 00w 材料 ：不锈钢 厚度： 1度： 13m/光器： 000W 材料：铝 厚度： 1度： 6m/ 已经推广应用 最大功率 160 光束质量 产品应用 医疗手术 塑料焊接、切割、打标 非金属材料加工 固体激光器红外泵浦源 外科手术 塑料加工 特别医用塑料制品的焊接 平均功率 150W 脉冲能量 3 脉冲宽度 150 光束质 %10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%0204060801001201401600 50 100 150 200输出功率(W) 泵浦功率 (W) 刻槽 激光器：料： 6061铝 频率： 50制占空比： 22% 刻槽深度： 度： 5s/ 毛化 激光器： 率： 100速度： 68mm/s 打标 激光器： 0W 脉宽： 150度： （不锈钢） 激光器： 0W 脉宽： 150度： 0%10%20%30%40%50%60%70%80%0246810120 5 10 15 20转换效率信号功率(W) 泵浦功率 (W) 信号功率 转换效率 高端打标（表面打黑） 彩色打标 关键指标 平均功率 20瓦 脉冲能量 100冲宽度最低 150束质量 阳极氧化铝打黑 激光器： 频率： 400K 间距： 度： 46s/不锈钢彩色打标 激光器： w，频率： 10