光纖激光器及其應(yīng)用課件

光纖激光器及其應(yīng)用

4/2/20231目錄引言光纖激光器基本結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)高功率光纖激光器及其研究進(jìn)展高功率光纖激光器的應(yīng)用展望4/2/20232

激光器問(wèn)世不久，美國(guó)光學(xué)公司（Americanopticalcorporation）的Snitzer和Koester于１９６３年首先提出光纖激光器和放大器的構(gòu)思。１９６６年高錕和Hockham提出了光纖通信的基本概念。１９７０年后光纖通信經(jīng)歷研究開(kāi)發(fā)階段（１９６６－１９７６），實(shí)用化階段（１９７７－１９８６）迅速進(jìn)入１９８６年以后的大規(guī)模光纖通信建設(shè)階段。

一、引言4/2/20233

近年來(lái)，美國(guó)IPGPhotonics公司異軍突起，不僅展示Ｓ，Ｃ，ＬBands的各種光纖放大器，高功率的ＥＤＦＡ，Raman光纖激光器和雙波長(zhǎng)Raman光纖激光器，更引起國(guó)際關(guān)注的是該公司已推出各種商用摻Y(jié)b高功率光纖激光器，最大功率達(dá)1萬(wàn)瓦；單模輸出功率高達(dá)1000W,光束質(zhì)量非常好，M2小于1.1。4/2/20235高功率光纖激光器具有光束質(zhì)量好、壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，其主要性能已明顯優(yōu)于半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器和CO2激光器。從發(fā)展態(tài)勢(shì)看，光纖激光器不僅在光纖通信領(lǐng)域有重要的應(yīng)用而且迅速地向其他更為廣闊的激光應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，這是一類已經(jīng)取得技術(shù)突破，正在向技術(shù)的廣度和深度迅速發(fā)展的、有重要應(yīng)用前景的激光器。

4/2/20236二、光纖激光器基本結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)

諧振腔腔鏡可為反射鏡、光纖光柵或光纖環(huán)

諧振腔耦合光學(xué)系統(tǒng)工作物質(zhì)(增益光纖)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)LD泵浦源光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)與固體激光器的結(jié)構(gòu)基本相同，如下圖所示：4/2/20237光纖激光器的主要特點(diǎn)

（1）光纖作為導(dǎo)波介質(zhì)，纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，可方便地與目前的光纖通信系統(tǒng)高效連接，構(gòu)成的激光器具有高轉(zhuǎn)換效率、低閾值、高增益、輸出光束質(zhì)量好和線寬窄等特點(diǎn)；（2）由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可設(shè)計(jì)得相當(dāng)小巧靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易于系統(tǒng)集成、性能價(jià)格比高；

4/2/20239（3）由于光纖具有很高的“表面積/體積”比，散熱效果非常好，所以光纖激光器可以工作在-20~70℃的環(huán)境溫度內(nèi)，不需要龐大的水冷系統(tǒng)，只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷即可，且可在惡劣的環(huán)境下工作，如在高沖擊、高震動(dòng)、高溫度、有灰塵的條件下正常運(yùn)轉(zhuǎn)；（4）具有相當(dāng)好的可調(diào)諧參數(shù)和選擇性，能獲得寬調(diào)諧范圍（380nm～3900nm）和相當(dāng)好的單色性和高穩(wěn)定性，使用壽命長(zhǎng)，平均無(wú)故障工作時(shí)間在10kh甚至100kh以；（5）采用特殊的器件結(jié)構(gòu)可獲得高功率輸出或超短脈沖輸出。4/2/202310三、高功率光纖激光器及其研究進(jìn)展光纖激光器不僅與固體、氣體、半導(dǎo)體激光器等相比，有非常明顯的優(yōu)越性，而且與二極管泵浦固體激光器相比，也有更好的光束質(zhì)量，可得到更小的聚焦光斑。隨著光纖激光器應(yīng)用的更加廣泛，對(duì)高功率光纖激光器的需要越來(lái)越大。為了獲得高功率輸出，關(guān)鍵之一是包層泵浦技術(shù)（Claddingpumpedtechnology）。4/2/202311

雙包層摻雜光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層四個(gè)層次組成。內(nèi)包層的作用：一是包繞纖芯，將激光輻射限制在纖芯內(nèi)；二是將泵浦光耦合到內(nèi)包層，使之在內(nèi)包層和外包層之間來(lái)回反射，多次穿過(guò)單模纖芯被其吸收。在雙包層結(jié)構(gòu)中，泵浦光的吸收率和內(nèi)包層的幾何形狀和纖芯在包層結(jié)構(gòu)中的位置有關(guān)。此外，泵浦光被摻雜稀土離子的吸收率正比于內(nèi)包層和外包層的面積比。4/2/202313

美國(guó)IPG公司相繼推出輸出功率為700W、2KW和10KW的摻Y(jié)b雙包層高功率光纖激光器產(chǎn)品。為了提高光纖激光器的輸出功率，可采用多組寬帶區(qū)多模半導(dǎo)體二極管作為泵浦源，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示

4/2/2023144/2/202315IPG公司已經(jīng)推出的部分產(chǎn)品4/2/202317IPG萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光器4/2/202318IPG公司高功率光纖激光器主要指標(biāo)4/2/202319國(guó)內(nèi)研究概況

（2）南開(kāi)大學(xué)在研制出短脈沖光纖激光器的同時(shí)，大膽創(chuàng)新，率先研制出了雙包層光纖光柵，為雙包層光纖激光器的全光纖化研究，邁出了重要的一步。

（3）武漢烽火通信成功推出了完全達(dá)到商用水平的雙包層摻鐿光纖產(chǎn)品。據(jù)悉，通過(guò)上海光機(jī)所試用，其斜率效率達(dá)到66％以上，在選用合適的光纖長(zhǎng)度和泵浦功率的條件下，可實(shí)現(xiàn)100W以上的激光功率輸出，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

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值得一提的是，近1-2年內(nèi)，國(guó)內(nèi)外掀起了光子晶體特別是光子晶體光纖的研究熱潮，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模機(jī)制使光子晶體光纖具有許多普通光纖所不具備的優(yōu)越特性。根據(jù)不同的特性，有望研制出各種光子晶體功能器件，比如光子晶體光纖光柵、光子晶體衰減器、激光器和放大器等等。目前國(guó)外有多家公司有晶體光纖產(chǎn)品，比如丹麥晶體光纖公司推出了“雙包層高數(shù)值孔徑摻鐿晶體光纖”，這種光纖可以用在光纖激光器或光纖放大器中，另外由于該光纖具有光敏性，還可以在其上刻寫光纖光柵。晶體光纖應(yīng)用于光纖激光器中4/2/202322該公司DC-420-23-Yb型雙包層高數(shù)值孔徑摻鐿晶體光纖NearFieldofcoreat1310nm

NearFieldofcladding

FiberStructure4/2/202323四、光纖激光器的應(yīng)用高功率摻鐿光纖激光器（HPFL）與目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半導(dǎo)體泵浦YAG激光器相比，表現(xiàn)出突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是電光轉(zhuǎn)換效率高，光束質(zhì)量好，泵浦源壽命長(zhǎng)，使用方便，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，空氣冷卻等優(yōu)點(diǎn)，使它在激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中呈現(xiàn)出美好的應(yīng)用前景。4/2/202325表1幾類激光器性能的比較4/2/202326高功率材料加工4/2/202329經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高功率光纖激光器與燈泵和半導(dǎo)體泵浦的YAG激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：4/2/202330激光打標(biāo)包括半導(dǎo)體芯片/晶元片/集成電路/電子器件，醫(yī)療器件，手機(jī)/計(jì)算機(jī)鍵盤，儀器面板/按鍵，服裝鈕扣，香煙/食品包裝等。CO2和YAG激光器：體積大；高功耗；短壽命；高維護(hù)費(fèi)用；使用不方便。摻鐿光纖激光器：體積??；低功耗；長(zhǎng)壽命；低成本，免維護(hù)；光束質(zhì)量好，工作面處功率密度高；光纖傳輸?shù)焦ぷ髅?，使用方便?/2/202331深圳大族激光YLP-10光纖激光打標(biāo)機(jī)4/2/202332YLP-10光纖激光打標(biāo)機(jī)技術(shù)參數(shù)4/2/202333在線打標(biāo)4/2/202334激光雕刻精密電子元器件4/2/202335精密金屬標(biāo)刻

4/2/202336醫(yī)療器械精密切割在醫(yī)用儀器中，實(shí)用化的典型例子有擴(kuò)張器、內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管等的加工。所謂擴(kuò)張器，就是治療閉塞性疾病的器具的總稱。例如冠狀動(dòng)脈血管用的擴(kuò)張器。此外，還有膽管、食道、氣管、前列腺用的擴(kuò)張器等。利用擴(kuò)張器治療疾病源于美國(guó)。目前，我國(guó)沒(méi)掌握心血管支架（coronarystent）的加工技術(shù)，進(jìn)口支架價(jià)格昂貴，一個(gè)進(jìn)口支架的價(jià)格就將近2萬(wàn)元，整個(gè)手術(shù)的費(fèi)用高達(dá)10多萬(wàn)元，國(guó)內(nèi)很多患者不能得到治療。據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)需要接受心血管手術(shù)的病人已達(dá)400萬(wàn)人，但全國(guó)每年的手術(shù)量尚不足4萬(wàn)例。4/2/202337一般地，支架尺寸非常小，比如血管支架的主要參數(shù)為：直徑0.8-2mm、壁厚0.08-0.4mm、網(wǎng)線寬度0.05-0.07mm，切割加工精密+/-5μm。這就要求激光器必須有非常好的光束質(zhì)量（M2接近于1），以及非常小的聚焦光斑直徑（小于15μm）。另外，還要求激光器的穩(wěn)定性好。所有這些，都只有光纖激光器才能達(dá)到要求，比如用YAG激光器切割出來(lái)的支架，表面有毛刺現(xiàn)象，而且熱影響區(qū)大，影響了支架的彈性。4/2/2023384/2/202339心臟支架的切割及其應(yīng)用4/2/2023404/2/202341六、展望光纖激光器的優(yōu)良性能，決定了它比半導(dǎo)體激光器和大型激光器擁有更多的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣闊，為滿足快速增長(zhǎng)的巨大的市場(chǎng)需求，美國(guó)、西歐、日本和我國(guó)都已紛紛加大了光纖激光器的研發(fā)力度。在目前，國(guó)外已有較成熟的產(chǎn)品，如IPG公司的系列產(chǎn)品，并已開(kāi)始進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，而國(guó)內(nèi)至今尚無(wú)正式產(chǎn)品面市。當(dāng)務(wù)之急，一方面著力開(kāi)展光纖激光器的應(yīng)用，尋找最適用的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)；一方面著手加快國(guó)內(nèi)光纖激光器的研發(fā)，已有研發(fā)基礎(chǔ)的單位應(yīng)加快與企業(yè)合作，根據(jù)市場(chǎng)需要推出國(guó)內(nèi)首批產(chǎn)品。4/2/202342

關(guān)于光纖激光器的研發(fā)，應(yīng)從應(yīng)用過(guò)程中加深對(duì)器件的了解和認(rèn)識(shí)，根據(jù)使用反饋，不斷改進(jìn)和完善器件的結(jié)構(gòu)和性能。為進(jìn)一步推廣光纖激光器的應(yīng)用關(guān)鍵在于不斷降低產(chǎn)品成本。開(kāi)始時(shí)應(yīng)用的著眼點(diǎn)可放在高檔次產(chǎn)品上，在發(fā)展光纖激光器產(chǎn)品的過(guò)程中可能推動(dòng)高功率半導(dǎo)體二極管產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為促進(jìn)光纖激光器的進(jìn)一步發(fā)展，