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的代表，具有以下優(yōu)勢：

 （1）玻璃光纖制造成本低、技術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格的相位匹配，這是由于玻璃基質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，所以上轉換效率較高，激光閾值低。

（4）輸出激光波長多：這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多。

（5）可調諧性：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無光學鏡片，具有免調節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。

（7）光纖導出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應用，使機械系統(tǒng)的設計變得非常簡單。

（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，只需簡單的風冷。

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

（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

雙包層光纖的出現無疑是光纖領域的一大突破，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實。自1988年E Snitzer首次描述包層泵浦光纖激光器以來，包層泵浦技術已被廣泛地應用到光纖激光器和光纖放大器等領域，成為制作高功率光纖激光器首選途徑。

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

包層泵浦技術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

一個多模泵浦二極管模塊組可輻射出100瓦的光功率，多個多模泵浦二極管并行設置，即可允許設計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，只須簡單的風冷，成本低。

 3、很寬的泵浦波長范圍

高功率的光纖激光器內的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素，有一個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轉壽命超過100萬小時。

目前實現包層泵浦光纖激光器的技術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的一篇文獻采用的結構，實現了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W，傾斜效率高達85%的新型包層泵浦光纖激光器[1]。在產品技術方面，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。

光纖激光器的應用

1．標刻應用

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

一套光纖激光打標系統(tǒng)可以由一個或兩個功率為25W的光纖激光器，一個或兩個用來導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。這種設計比用一個50W激光器分束到兩個掃描頭上的方式高出達4倍以上的效率。該系統(tǒng)最大打標范圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標刻范圍內絕對定位精度是+/-100um。100um工作距離時的聚焦光斑可小到15um。

2．材料處理的應用

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。集中加熱和快速自冷切導致在激光加熱區(qū)域的可塑性變形，永久性改變目標工件的曲率。研究發(fā)現用激光處理的微彎曲遠比其他方式具有更高的精密度，同時，這在微電子制造是一個很理想的方法。

4．激光切割的應用

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谩１热纾河每焖贁夭ǖ倪B續(xù)光纖激光器微切割不銹鋼動脈管。由于它的高光束質量，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)的標準。

由于其波段涵蓋了1.3μm和1.5μm兩個主要通信窗口，因此光纖激光器在光通信領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域的市場需求也呈迅速擴展的趨勢。光纖激光器在激光加工領域的范圍和所需性能具體如下：軟焊和燒結：50－500W；聚合物和復合材料切割：200W－1kW；去激活：300W－1kW；快速印刷和打印：20W－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的發(fā)展，輸出波段在紫光、藍光、綠光、紅光及近紅外光的波長上轉換光纖激光器已可以作為實用的全固化光源而廣泛應用于數據存儲，彩色顯示，醫(yī)學熒光診斷。遠紅外波長輸出的光纖激光器由于其結構靈巧緊湊，能量和波長可調諧等優(yōu)點，也在激光醫(yī)療和生物工程等領域得到應用。

新型的光纖激光器技術

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

我國光纖激光器目前研究進展

2002年南開大學報道了在摻Yb3 + 雙包層光纖器中得到了脈寬4. 8ns 的自調Q 脈沖輸出和混合調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年南開大學報道了利用脈沖泵浦獲得100kW 峰值功率的調Q 脈沖,以及得到的60nm 可調諧的調Q 脈沖。
 

2003年11月20日報道，上?？茖W家在激光領域取得新成果，成功開發(fā)出輸出功率高達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費用和功率消耗都要低得多，壽命是普通激光器的幾十倍。該課題組的負責人之一樓祺洪研究員告訴記者，激光打印有著廣泛的應用前景，與市民生活直接相關的如食品的生產日期、防偽標志等，若以激光打印代替現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。上海科學家研制的光纖激光器使光纖激光輸出功率又上升了一個新臺階，最大輸出功率達107W，已經遙遙領先于全國同行。

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

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

這是烽火通信在特種光纖領域邁出的重要一步，同時也是我國在高功率激光器用光纖領域的重大突破。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，由于其具有光束質量好、效率高、易于散熱和易于實現高功率等特點，近年來發(fā)展迅速，并已成為高精度激光加工、激光雷達系統(tǒng)、光通信及目標指示等領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換效率和輸出功率。烽火通信作為國內唯一一家進行雙包層摻鐿光纖研究的單位，在成功推出輸出功率達100W以上的完全可商用的雙包層摻鐿光纖產品后，又加大的研發(fā)力度，使得其輸出功率實現440W以上，達到國際領先水平。

結論

光纖激光器作為第三代激光技術的代表，具有其他激光器無可比擬的技術優(yōu)越性。不過，我們認為，在短期內，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，成本的降低以及產能的提高，最終將可能會替代掉全球大部分高功率 CO2激光器和絕大部分YAG激光器。