高功率光纤激光器及其应用课件

1、高功率光纤激光器及其应用High Power Fiber Laser & Its Application中国科学院广州电子技术研究所王天及2022/7/301次目摘要引言高功率光纤激光器的工作原理高功率光纤激光器的特性及其应用展望2022/7/302摘要 1，概要地描述高功率光纤激光器的基本工作原理和关键技术; 2，介绍目前国际市场上刚出现的几种新颖的高功率光纤激光器,并介绍它们的特征; 3，对高功率光纤激光器在一些领域中的应用进行了展望。2022/7/303引言光纤激光器是当前激光技术研究领域中的前沿课题，它的研究与应用亦日趋活跃。国家自然科学基金委和“863”分别将其列入2002年的重大研

2、究课题和攻关项目。 随着激光二极管及其泵浦技术、光纤材料和工艺研究的进展，适合多种不同应用目的的光纤激光器亦缤呈异彩地涌现于世。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。2022/7/304高功率光纤激光器的应用领域金属和非金属材料的加工与处理；激光雕刻；激光产品打标；激光焊接，焊缝清理；精密打孔；激光检测和测量；激光图形艺术成像；激光雷达系统，污染控制；传感技术和空间技术；激光医学等等。2022/7/305高功率光纤激光器的主要特性在光纤材料中掺杂铒(Er)，铥(Tm)，镨(Pr)，镱(Yb)等不同的稀土元素便会使光纤激光器有多种不同的输出波长；由

3、于双包层泵浦技术(Double Cladding Pumped Technology) 的发明与特殊工艺的融合便诞生了高功率的光纤激光器；目前光纤激光器波长范围可以从蓝、绿、红可见波长到2000nm；光纤激光器输出的连续激光功率从百毫瓦量级上升到百瓦的量级,千瓦量级,乃至万瓦量级。2022/7/306高功率光纤激光器的主要优点2002年1月,美国一公司推出一种掺镱的高功率光纤激光器，其连续出功率高达700瓦 (波长为1.06m), 这种激光器的特点是： *转换效率高（可高达20%）； *寿命长（平均无故障工作时间在10万小时以上）； *可在恶劣的环境下工作（由于其共振腔置于光纤内部， 即使在高

4、冲击，高震动，高湿度，有灰尘的条件下皆可正常运转，而环境温度范围允许在-20 C至+70 C之间）； *无论是连续或脉冲的运转方式皆无需庞大的水冷或风冷系统.只需一般的散热体或简便的风冷即可， *其外型紧凑体积小（光纤激光器模块的体积大约有一本字典的大小）； *方便光纤导出； *易于系统集成； *无有体积庞大的电源系统。2022/7/307高功率光纤激光器的工作原理-1光纤激光器是在光纤放大器的基础上而发展起来的。它是利用掺杂稀土元素的光纤，再加上一个恰当的反馈机制便形成了光纤激光器。掺杂稀土元素的光纤就充当了光纤激光器的增益介质。在光纤激光器中有一根非常细的光纤纤芯，由于外泵浦光的作用，在光

5、纤内便很容易形成高功率密度，从而引起激光工作物质能级的粒子数反转。一般是采用光纤光栅构成光纤激光器的谐振腔。2022/7/308高功率光纤激光器的工作原理-2高功率光纤激光器的关键技术:用于泵浦的宽面、多模大功率激光二极管;截面为梅花瓣形的内包层或多孔的双包层光纤；单模掺镱纤芯;锥形捆扎或树叉形双包层光纤泵浦光导入口;特殊耦合技术;光纤光栅谐振腔.2022/7/309高功率光纤激光器的工作原理-3内包层掺Yb单模纤芯外包层光纤光栅掺镱双包层泵浦光纤输出端低折射率的外包层光纤专利设计双包层泵浦光纤之截面图2022/7/3010高功率光纤激光器的工作原理-45m纤芯多模Diode PnmpTape

6、red Fiber Bundle特殊耦合器2022/7/3011高功率光纤激光器的工作原理-5Bundles with all MM ports for coupling to Yb-doped fiber7 MM Fiber0.16 NASingle mode outputMulti-Mode input fiber1,多模大功率激光二极管泵浦;2,专门的耦合设计.2022/7/3012光纤激光器基本结构示意图Sketch of fiber laser泵浦光970nm泵浦光970nm激光输出光纤光栅100%反射光纤光栅10%反射掺镱(Yb)光纤2022/7/3013几种泵浦方式12022/7

7、/3014多模、包层泵浦示意图Multi-mode,cladding pumping掺杂稀土元素的单模纤芯Rare earth doped single mode core多模泵浦光Multi-mode pump light单模输出Laser output Single-mode包层cladding在单模纤芯内被镱原子吸收的多模泵浦光Multi-mode pump light is absorbed by ytterbium atoms in the single-mode core特殊设计的树杈形包层光纤Cladding fiber in “the fork of a tree”shape2

8、022/7/3015掺稀土元素硅光纤的制作使用MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)设备稀土元素溶液的掺杂低折射率镀层制做双包层光纤超声成型2022/7/3016高功率光纤激光器的工作原理- 6 若在包层光纤材料中掺杂不同的稀土元素，例如掺杂铒(Er)，铥(Tm)，镨(Pr)，镱(Yb)等不同的稀土元素即会使得光纤激光器有多种不同的激光波长输出。 如果用多个多模激光二极管同时耦合至双包层光纤上，就可以获得高功率的激光输出。这就是被称之为双包层、多模、并行泵浦技术。2022/7/3017Yb3+离子能级图基态子能级a亚稳态能级d基态子能级c激发态子能级

9、e980nm泵浦自发辐射跃迁1.06m无辐射跃迁2F 7/2能级2F 5/2 能级2022/7/3018Yb+3基态与激发态吸收谱Wavelength(nm)Paramenter(dB/m)1Ground State Absorption2Excited State Gain122022/7/3019光纤激光器包层泵浦技术示意图 cladding pumping technology in fiber laserPump diode with a broad-area宽面的泵浦激光二极管 Cladding fiber and care doped rare earth elements双包层光

10、纤及掺杂稀土元素的纤芯Laser output激光输出2022/7/3020宽面的泵浦激光二极管多模泵浦二极管其稳定性很高。几何上的宽面就使得LD的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样泵浦二极管的可靠运转寿命就会很长。 外包层内包层纤芯输出光束宽面二极管2022/7/3021包层光线横截面与包层泵浦技术示意图Section of cladding fiber and cladding pumping technology纤芯Core外包层Outer clad矩形内包层偏心圆内包层内包层Inner clad花瓣形内包层2022/7/3022包层光纤横断面的几何形状光纤内包层横

11、断面的几何形状是很重要的。如果设计成圆形，而纤芯又居其中心，这样大部分的泵浦光就不能横穿过纤芯。设计出其它光纤内包层横断面的几何形状，以使更多的泵浦光横穿过纤芯。例如设计成：偏心圆式的内包层，矩形的内包层，花瓣形的内包层。2022/7/3023多孔双包层光纤截面扫描电子显微镜照片From refrences 4参考文献内包层多孔直径d=2.7m孔间距=9.7 m外包层多孔直径d=12.3mOuter jacketcoreInner claddingOuter cladding2022/7/3024多孔双包层光纤截面扫描电子显微镜照片大小孔内包层低阈值,有效吸收2022/7/3025光子晶体多孔

12、双包层光纤截面扫描电子显微镜照片M2022/7/3026光子晶体多孔双包层光纤激光器强度分布M参考文献82022/7/3027梅花瓣形内包层光纤尺寸示意第二包层掺氟石英 n=1.40第一包层熔凝石英 n=1.45纤芯-掺镱熔凝石英 n=1.461259082022/7/3028Maxwells equation泵浦掺镱光纤,在任意端面形状的包层区和光纤内光的传播遵从Maxwells方程:其中见参考文献72022/7/3029掺镱纤芯的吸收光谱Spectral absorptionYb+3 Wavelength (nm)Multimode Absorption (dB/m)976nm915,94

13、0nm2022/7/3030Multi-mode and parallel pumping多模、并行泵浦示意图多个二极管并行泵浦More diodes are coupled into the fiberDouble cladding doped fiberSpecial couplerOutput laser2022/7/3031并行泵浦示意图Z光纤泵浦二极管泵浦二极管柱面透镜2022/7/3032大功率宽面多模二极管的并行泵浦技术的优点1，高功率。一个多模泵浦二极管可辐射出大于100瓦的激光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，即可允许设计出很高功率输出的光纤激光器。2，无需热电冷却器。这种大

14、功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作。3，很宽的泵浦波长范围。高功率光纤激光器内的活性包层光纤掺杂了镱稀土元素，有一个很宽且又平坦的光波吸收区 (915-980 nm ),因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置。 4，高可靠性。多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得激光器的截面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一来，泵浦二极管 其可靠运转寿命超过能 10万小时。2022/7/3033环碟型光纤激光器的泵浦日本Hoya大学K.Ueda光纤长100M10W2022/7/3034锥形捆扎光纤束集成组件多模锥形捆扎光纤束掺镱包层泵浦光纤激光

15、器串级Raman谐振器Fully Integrated Assembly of Tapered Fiber Bundle输出高功率泵浦源整体集成组件1060 nm2022/7/3035单模连续输出掺镱光纤激光器10 Watts2022/7/3036单模连续输出掺镱光纤激光器市场上已有的5W, 10W, 20W, 50W以及100W 掺镱光纤激光器是为无需维修的OEM系统中的应用而设计。二极管泵浦的光纤激光器发出一1.07m的单模激光,经带有外套的单模光纤光缆直接引至工作点上。这种紧凑无伺服的激光器设计使其可在高冲击，高震动和有灰尘的条件下运转.环境相对湿度允许在90%以上，而适应的环境温度范围

16、可在 20 C至+70 C之间。2022/7/3037单模连续输出掺镱光纤激光器该光纤激光器能够直接安置在微机械系统内，或微雕刻和材料处理系统中以及产品打标系统中，无需安装后的伺服。该光纤激光器无需换置配件和材料。墙插电转换效率在20%以上, 其外形紧凑，简便的风冷即可。在结构上,其设计结实而紧凑,集成化，无光学元件排列的调准或维修之需;亦无机械稳定性的问题。光纤传输线可达20米以上。2022/7/3038单模连续输出100瓦掺镱光纤激光器主要特征：1，光学输出功率100瓦以上；2，最佳光束品质M2700瓦；2，输出光束参数有最佳改善 100khrs)；8，可记录工作输出的功率密度；9，具有连

17、续和脉冲的运转方式；10，空气冷却；11，焦点直径在焦长150 mm的情况是为50m. 2022/7/3043(2002,05之前)世界上最大功率的光纤激光器美国一公司曾推出的一个光纤激光器的新产品，号称是当时世界上最大功率的光纤激光器。该激光器有700瓦的功率的输出，在光纤的输出端最佳的光束参数为12 mm*mrad)。2022/7/3044(2002,05之前)世界上最大功率的光纤激光器该光纤激光器用来切割所有类型的金属和某些非金属材料是较理想的，在工作区提供一个较完美的光束质量和强大的功率密度。尽管其功率比千瓦级的CO2 激光器低一些，然而这种光纤激光器对切割和焊接那些高反射率的材料，例

18、如：铝，铜等金属材料是很适合的，工作效率很高。该光纤激光器亦具有很好的输出光束的质量，在150mm长焦深处，其光束锥度不大于5度，具有可为工作区提供高功率密度的能力。2022/7/3045(2002,05之前)世界上最大功率的光纤激光器该光纤激光器的另一个大的优点是有较高的转换效率(20%以上)并且其泵浦二极管的寿命比任何其他高功率激光器的寿命都长(100khrs)。完美的一体化设计，无须光学调准或维护；无机械稳定问题。该激光器长期无须维修，可在各种环境条件下运转,抵需消耗很小的电能并具有方便的空气冷却。2022/7/3046(2002,05之前)世界上最大功率的光纤激光器在该光纤激光器中，其

19、内含有一个紧凑的能源供给和冷却系统的集成单元。通过前置平台或电脑接口采集数据，可监视到其所有的运转参数。该光纤激光器体积小、重量轻再加之其有灵活的单模光纤输出可以很容易地集成到工厂的精密系统生产线上去。2022/7/3047目前市场上几种大功率的光纤激光器主要参数：工作点上的激光功率 输出光束参数 工作点上的聚焦直径# 300W 0.7mm*mrad 30m 500W 1.4mm*mrad 50m 700W 1.4mm*mrad 50,000 Hours 气冷或水冷光纤传输 Up to 200 m 体积:120*79*160 cm重量:1,000 kg输出波长:1070 nm2022/7/30

20、55光纤激光器用于汽车加工12022/7/3056超紧凑型1瓦、单模光纤激光器2022/7/3057超紧凑型1瓦、单模光纤激光器特点:1, 超紧凑,尺寸：90 x 70 x 15 mm ( 3.5 x 3.0 x 0.5 in );2, 输出波长1040-1120 nm; 单模；3, 低损耗，供电3.3V, DC,10瓦以下;4,二极管泵浦光纤到光纤工作(DPFF);应用范围:1,照像复制术 (reprographics);2,光谱学 (spectroscopy);3,成像技术 (imaging)4,晶片检测 (wafer inspection)5,航空电子学 (avionics).2022/

21、7/3058300W TEMoo (M21.1) 单模100 to 300W Output Optical Power1070 to 1120nm Wavelengths RangeOver 20% Wall-Plug EfficiencyTEMoo (M250,000 hours Pump Laser LifetimeMaintenance Free OperationUp to 200 m Fiber Delivery2003年5月22日IPG 推出2022/7/3059使用CO2 激光器的激光打标机50W2022/7/3060用于切割的轴流CO2激光器2000W轴流CO2激光器2022/

22、7/3061使用Diode Pumped Nd: YAG激光器的激光打标机50W642022/7/3062用于熔覆的CO2激光器2022/7/3063体积庞大的YAG激光加工系统2022/7/3064光纤激光打标机57cm*54cm*34cm642022/7/3065光纤激光器打标机与YAG激光器的激光打标机 图片65光纤激光打标机是一台光纤激光器打标机，它是为半导体器件封装和其它小的塑料装置打标而用。该系统是使用10瓦的光纤激光器。扫描头和基本平台、系统软件包、扫描透镜和电脑I/O卡等都集成在一个箱体中。图片62所示的是使用Diode 泵浦的 Nd:YAG 激光器的激光打标机。可以很容易地看

23、出光纤激光器打标机系统要比Diode 泵浦的 Nd:YAG 激光器的常规激光打标机系统轻便得多。2022/7/3066大功率光纤激光器代替体积庞大的传统的激光器的可能目前所采用的各种体积庞大的传统的激光器，例如前图所示的普遍使用的用于激光加工和激光打标的CO2和YAG激光器以及其它DPSS激光器，势必被这种新型的高效率，长寿命，小体积，大功率光纤激光器所代替。如果在产业中能采用这种光纤激光器，目前许多大型的激光打标，加工，激光医疗设备就可以制成便携式、灵巧的系统。2022/7/3067脉冲高能掺镱光纤激光器 每个脉冲能量 Up to 2mJ平均输出功率Up to 200W脉宽 80 to 50

24、0ns重复可调 20 to 200kHz墙插效率 Over 10%空气冷却紧凑输出波长：1060nm 打标、清理焊缝、显微机械加工、精密打孔、焊接、切割2003年8月5日IPG推出2022/7/3068光纤激光器输出波长向可见波段发展光纤激光器输出波长向可见波段发展，目标是蓝、绿和近紫外。2003年8月5日IPG推出：基于参铒光纤激光器的倍频;5-30W，输出波长770-780nm，单模的光纤激光器已于今年7月交付用户使用。25W可见波段光纤激光器应用:微加工、医用激光、打标、视觉艺术2022/7/3069可见波段的光纤激光器该可见波段的光纤激光器在770nm 与780nm间可调,单模连续输出

25、5-30W.脉冲频率在10-20MHz之间可调,脉宽为2-3ns. 光束质量：M210%下一目标:385-390nm5W2022/7/3070结束语新型高功率的光纤激光器越来越引起激光技术研究人员和激光技术应用者的注意。它初露锋芒地展现出美好的应用前景，毫无疑问，它潜在着非常广阔的市场。有关这种高功率光纤激光器的研究，开发，生产及其各种应用，无疑也将会迅速地形成一个新型的产业。2022/7/3071参考文献1, J. Nilsson, A. B. Grudinin, and P. W. Turner, Advanced pulsed and cw high-power fiber lasers

26、, invited paper, in Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (Optical Society of America, Washington, DC 2000), p. 598.2,A.B.Grudinin, et al, New generation of cladding pumped fiber laser and amplifiers, CLEO-Eurpe, Nice, France P. CWA3, 20003,S. U. Alam, J. Nilsson, J. A. Alvarez-Chavez, P. W. Turner, W. A. Clarkson, and A. B. Grudinin, Erbium-ytterbium co-doped cladding-pumped fiber