光纖激光器

光纖激光器的類型

按照光纖材料的種類，光纖激光器可分為：

1．晶體光纖激光器。工作物質(zhì)是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和nd3+：YAG單晶光纖激光器等。

2．非線性光學(xué)型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。
 

3．稀土類摻雜光纖激光器。光纖的基質(zhì)材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，而制成光纖激光器。

4．塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內(nèi)摻入激光染料而制成光纖激光器。

光纖激光器的優(yōu)勢

光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有以下優(yōu)勢：

 （1）玻璃光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢。

 （2）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴(yán)格的相位匹配，這是由于玻璃基質(zhì)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(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低。

（4）輸出激光波長多：這是因?yàn)橄⊥岭x子能級非常豐富及其稀土離子種類之多。

（5）可調(diào)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(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。

（7）光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應(yīng)用，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡單。

（8）勝任惡劣的工作環(huán)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(fēng)冷。

 （10）高的電光效率：綜合電光效率高達(dá)20%以上，大幅度節(jié)約工作時(shí)的耗電，節(jié)約運(yùn)行成本。

（11）高功率,目前商用化的光纖激光器是六千瓦。
 

高功率的光纖激光器及其包層泵浦技術(shù)

雙包層光纖的出現(xiàn)無疑是光纖領(lǐng)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(xiàn)實(shí)。自1988年E Snitzer首次描述包層泵浦光纖激光器以來，包層泵浦技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用到光纖激光器和光纖放大器等領(lǐng)域，成為制作高功率光纖激光器首選途徑。

包層泵浦技術(shù)，由四個(gè)層次組成:①光纖芯;②內(nèi)包層;③外包層;④保護(hù)層。將泵光耦合到內(nèi)包層（內(nèi)包層一般采用異形結(jié)構(gòu)，有橢圓形、方形、梅花形、D形及其六邊形等等）,光在內(nèi)包層和外包層（一般設(shè)計(jì)為圓形） 之間來回反射,多次穿過單模纖芯被其吸收。這種結(jié)構(gòu)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(nèi),大大提高了泵浦效率。

包層泵浦技術(shù)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(gè)多模泵浦二極管模塊組可輻射出100瓦的光功率，多個(gè)多模泵浦二極管并行設(shè)置，即可允許設(shè)計(jì)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(fēng)冷，成本低。

 3、很寬的泵浦波長范圍

高功率的光纖激光器內(nèi)的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素，有一個(gè)寬且又平坦的光波吸收區(qū)(930-970nm),因此，泵浦二極管不需任何類型的波長穩(wěn)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(wěn)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(yùn)轉(zhuǎn)壽命超過100萬小時(shí)。

目前實(shí)現(xiàn)包層泵浦光纖激光器的技術(shù)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(huán)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(xiàn)采用的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W，傾斜效率高達(dá)85%的新型包層泵浦光纖激光器[1]。在產(chǎn)品技術(shù)方面，美國IPG公司異軍突起，已開發(fā)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。

光纖激光器的應(yīng)用

1．標(biāo)刻應(yīng)用

脈沖光纖激光器以其優(yōu)良的光束質(zhì)量，可靠性，最長的免維護(hù)時(shí)間，最高的整體電光轉(zhuǎn)換效率，脈沖重復(fù)頻率，最小的體積，無須水冷的最簡單、最靈活的使用方式，最低的運(yùn)行費(fèi)用使其成為在高速、高精度激光標(biāo)刻方面的唯一選擇。
 

一套光纖激光打標(biāo)系統(tǒng)可以由一個(gè)或兩個(gè)功率為25W的光纖激光器，一個(gè)或兩個(gè)用來導(dǎo)光到工件上的掃描頭以及一臺控制掃描頭的工業(yè)電腦組成。這種設(shè)計(jì)比用一個(gè)50W激光器分束到兩個(gè)掃描頭上的方式高出達(dá)4倍以上的效率。該系統(tǒng)最大打標(biāo)范圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標(biāo)刻范圍內(nèi)絕對定位精度是+/-100um。100um工作距離時(shí)的聚焦光斑可小到15um。

2．材料處理的應(yīng)用

光纖激光器的材料處理是基于材料吸收激光能量的部位被加熱的熱處理過程。1um左右波長的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收。

3 ．材料彎曲的應(yīng)用

光纖激光成型或折曲是一種用于改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術(shù)。集中加熱和快速自冷切導(dǎo)致在激光加熱區(qū)域的可塑性變形，永久性改變目標(biāo)工件的曲率。研究發(fā)現(xiàn)用激光處理的微彎曲遠(yuǎn)比其他方式具有更高的精密度，同時(shí)，這在微電子制造是一個(gè)很理想的方法。

4．激光切割的應(yīng)用

隨著光纖激光器的功率不斷攀升，光纖激光器在工業(yè)切割方面得以被規(guī)?；瘧?yīng)用。比如：用快速斬波的連續(xù)光纖激光器微切割不銹鋼動(dòng)脈管。由于它的高光束質(zhì)量，光纖激光器可以獲得非常小的聚焦直徑和由此帶來的小切縫寬度正在刷新醫(yī)療器件工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

由于其波段涵蓋了1.3μm和1.5μm兩個(gè)主要通信窗口，因此光纖激光器在光通信領(lǐng)域擁有不可替代的地位，大功率雙包層光纖激光器的研制成功使其在激光加工領(lǐng)域的市場需求也呈迅速擴(kuò)展的趨勢。光纖激光器在激光加工領(lǐng)域的范圍和所需性能具體如下：軟焊和燒結(jié)：50－500W；聚合物和復(fù)合材料切割：200W－1kW；去激活：300W－1kW；快速印刷和打?。?0W－1kW；金屬淬火和涂敷：2－20kW；玻璃和硅切割：500 W－2kW。此外，隨著紫外光纖光柵寫入和包層泵浦技術(shù)的發(fā)展，輸出波段在紫光、藍(lán)光、綠光、紅光及近紅外光的波長上轉(zhuǎn)換光纖激光器已可以作為實(shí)用的全固化光源而廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲，彩色顯示，醫(yī)學(xué)熒光診斷。遠(yuǎn)紅外波長輸出的光纖激光器由于其結(jié)構(gòu)靈巧緊湊，能量和波長可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，也在激光醫(yī)療和生物工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

新型的光纖激光器技術(shù)

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(diào)諧波長范圍的擴(kuò)展方面。今天，密集波分復(fù)用(DWDM)和光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進(jìn)步加速和刺激著多波長光纖激光器技術(shù)、超連續(xù)光纖激光器等的進(jìn)步。同時(shí)，多波長光纖激光器和超連續(xù)光纖激光器的出現(xiàn)，則為低成本地實(shí)現(xiàn)Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑來看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術(shù)、超發(fā)光二極管等技術(shù)均見報(bào)道。

我國光纖激光器目前研究進(jìn)展

2002年南開大學(xué)報(bào)道了在摻Y(jié)b3 + 雙包層光纖器中得到了脈寬4. 8ns 的自調(diào)Q 脈沖輸出和混合調(diào)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(xué)報(bào)道了利用脈沖泵浦獲得100kW 峰值功率的調(diào)Q 脈沖,以及得到的60nm 可調(diào)諧的調(diào)Q 脈沖。
 

2003年11月20日報(bào)道，上?？茖W(xué)家在激光領(lǐng)域取得新成果，成功開發(fā)出輸出功率高達(dá)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(hù)費(fèi)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(fù)責(zé)人之一樓祺洪研究員告訴記者，激光打印有著廣泛的應(yīng)用前景，與市民生活直接相關(guān)的如食品的生產(chǎn)日期、防偽標(biāo)志等，若以激光打印代替現(xiàn)在的油墨打印清晰度高、永不褪色、難以仿冒、利于環(huán)保，具有國際流行的新趨勢。上?？茖W(xué)家研制的光纖激光器使光纖激光輸出功率又上升了一個(gè)新臺階，最大輸出功率達(dá)107W，已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于全國同行。

 2004年，南開大學(xué)又報(bào)道了連續(xù)泵浦206kW峰值功率的調(diào)Q 脈沖。

2004年12月3日，烽火通信報(bào)道，繼推出激光輸出功率達(dá)100W以上的雙包層摻鐿光纖后，經(jīng)過艱苦的攻關(guān)再創(chuàng)佳績，將該類新型光纖的輸出功率成功提高至440W，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

這是烽火通信在特種光纖領(lǐng)域邁出的重要一步，同時(shí)也是我國在高功率激光器用光纖領(lǐng)域的重大突破。摻鐿雙包層光纖激光器是國際上新近發(fā)展的一種新型高功率激光器件，由于其具有光束質(zhì)量好、效率高、易于散熱和易于實(shí)現(xiàn)高功率等特點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速，并已成為高精度激光加工、激光雷達(dá)系統(tǒng)、光通信及目標(biāo)指示等領(lǐng)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(zhì)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(zhuǎn)換效率和輸出功率。烽火通信作為國內(nèi)唯一一家進(jìn)行雙包層摻鐿光纖研究的單位，在成功推出輸出功率達(dá)100W以上的完全可商用的雙包層摻鐿光纖產(chǎn)品后，又加大的研發(fā)力度，使得其輸出功率實(shí)現(xiàn)440W以上，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

結(jié)論

光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有其他激光器無可比擬的技術(shù)優(yōu)越性。不過，我們認(rèn)為，在短期內(nèi)，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(chǎn)能的提高，最終將可能會(huì)替代掉全球大部分高功率 CO2激光器和絕大部分YAG激光器。