《稀土新材料应用：光纤激光器》

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1、稀土新材料应用：光纤激光器稀土新材料应用：光纤激光器问题： 光纤激光器 光纤激光器的类型 光纤激光器的优势 高功率的光纤激光器及其包层泵浦技术 光纤激光器的应用 新型的光纤激光器技术 我国光纤激光器目前研究进展解答： 光纤激光器光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤 放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作 物质的激光能级“粒子数反转” ，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡 输出。 光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、 汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金

2、属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、 淬水、包层以及深度焊接） 、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。 光纤激光器的类型按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为：1 晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和 nd3+：YAG 单晶光纤激光器等。2 非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤 激光器。3 稀土类掺杂光纤激光器。光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使 之激活，而制成光纤激光器。4 塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 光纤激光器的优势光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以

3、下优势： （1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势；（2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质 Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故； （3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以上转换效率较高，激光 阈值低； （4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多； （5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。 （6）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点， 这是传统激光器无法比拟的。 （7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意

4、空间加工应用，使机械系统的设 计变得非常简单。 （8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。 （9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。 （10）高的电光效率：综合电光效率高达 20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约 运行成本。 （11）高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦。 高功率的光纤激光器及其包层泵浦技术 双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率 的光放大器的制作成为现实。自 1988 年 E Snitzer 首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层 泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激

5、光器 首选途径。 包层泵浦技术，由四个层次组成:光纤芯;内包层;外包层;保护层。将泵光耦合 到内包层（内包层一般采用异形结构，有椭圆形、方形、梅花形、D 形及其六边形等等）, 光在内包层和外包层（一般设计为圆形） 之间来回反射,多次穿过单模纤芯被其吸收。这 种结构的光纤不要求泵光是单模激光,而且可对光纤的全长度泵浦,因此可选用大功率的多模 激光二极管阵列作泵源,将约 70%以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内,大大提高了泵浦效率。包层泵浦技术特性决定了该类激光器有以下几方面的突出性能。 1、高功率 一个多模泵浦二极管模块组可辐射出 100 瓦的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置， 即可允许设计出很

6、高功率输出的光纤激光器。 2、无需热电冷却器 这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，只须简单的风冷，成本低。 3、很宽的泵浦波长范围 高功率的光纤激光器内的活性包层光纤掺杂了铒/镱稀土元素，有一个宽且又平坦的光 波吸收区(930-970nm),因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置 4、效率高 泵浦光多次横穿过单模光纤纤芯，因此其利用率高。 5、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。这样一来，泵浦二极 管其可靠运转寿命超过 100 万小时。 目前实现包层泵浦光纤激光器的技术

7、概括起来可分为线形腔单端泵浦、线形腔双端泵 浦、全光纤环形腔双包层光纤激光器三大类，不同特色的双包层光纤激光器可由该三种基 本类型拓展得到。 OFC2002 的一篇文献采用的结构，实现了输出功率为 3.8W、阈值为 1.7W，倾斜效 率高达 85%的新型包层泵浦光纤激光器1。在产品技术方面，美国 IPG 公司异军突起，已 开发出 700W 的掺镱双包层光纤激光器，并宣称将推出 2000W 的光纤激光器。 光纤激光器的应用1 标刻应用 脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的免维护时间，最高的整体电光转 换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无须水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运 行费

8、用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。一套光纤激光打标系统可以由一个或两个功率为 25W 的光纤激光器，一个或两个用来 导光到工件上的扫描头以及一台控制扫描头的工业电脑组成。这种设计比用一个 50W 激光 器分束到两个扫描头上的方式高出达 4 倍以上的效率。该系统最大打标范围是 175mm*295mm，光斑大小是 35um，在全标刻范围内绝对定位精度是+/-100um。100um 工 作距离时的聚焦光斑可小到 15um。2 材料处理的应用光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的部位被加热的热处理过程。1um 左 右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸收。3 材料弯曲的应用

9、光纤激光成型或折曲是一种用于改变金属板或硬陶瓷曲率的技术。集中加热和快速自 冷切导致在激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率。研究发现用激光处 理的微弯曲远比其他方式具有更高的精密度，同时，这在微电子制造是一个很理想的方法。4 激光切割的应用随着光纤激光器的功率不断攀升，光纤激光器在工业切割方面得以被规模化应用。比 如：用快速斩波的连续光纤激光器微切割不锈钢动脉管。由于它的高光束质量，光纤激光 器可以获得非常小的聚焦直径和由此带来的小切缝宽度正在刷新医疗器件工业的标准。由于其波段涵盖了 1.3m 和 1.5m 两个主要通信窗口，因此光纤激光器在光通信领 域拥有不可替代的地位，大功率

10、双包层光纤激光器的研制成功使其在激光加工领域的市场 需求也呈迅速扩展的趋势。光纤激光器在激光加工领域的范围和所需性能具体如下：软焊 和烧结：50500W；聚合物和复合材料切割：200W1kW；去激活：300W1kW；快速 印刷和打印：20W1kW；金属淬火和涂敷：220kW；玻璃和硅切割：500 W2kW。此 外，随着紫外光纤光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在紫光、蓝光、绿光、红光 及近红外光的波长上转换光纤激光器已可以作为实用的全固化光源而广泛应用于数据存储， 彩色显示，医学荧光诊断。远红外波长输出的光纤激光器由于其结构灵巧紧凑，能量和波 长可调谐等优点，也在激光医疗和生物工程等领域得

11、到应用。 新型的光纤激光器技术早期对激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。今 天，密集波分复用(DWDM)和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长 光纤激光器技术、超连续光纤激光器等的进步。同时，多波长光纤激光器和超连续光纤激 光器的出现，则为低成本地实现 Tb/s 的 DWDM 或 OTDM 传输提供理想的解决方案。就其 实现的技术途径来看，采用 EDFA 放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术 均见报道。 我国光纤激光器目前研究进展2002 年南开大学报道了在掺 Yb3 + 双包层光纤器中得到了脉宽 4. 8ns 的自调 Q 脉冲 输出和

12、混合调 Q 双包层光纤激光中得到峰值功率大于 8kW ,脉宽小于 2ns 的脉冲输出。 2003 年南开大学报道了利用脉冲泵浦获得 100kW 峰值功率的调 Q 脉冲,以及得到的 60nm 可调谐的调 Q 脉冲。 2003 年 11 月 20 日报道，上海科学家在激光领域取得新成果，成功开发出输出功率高 达 107W 的光纤激光器。此激光器的全称为“高功率掺镱双包层光纤激光器” ，与目前已有的激光器相比它的维护费用和功率消耗都要低得多，寿命是普通激光器的几十倍。该课题 组的负责人之一楼祺洪研究员告诉记者，激光打印有着广泛的应用前景，与市民生活直接 相关的如食品的生产日期、防伪标志等，若以激光打

13、印代替现在的油墨打印清晰度高、永 不褪色、难以仿冒、利于环保，具有国际流行的新趋势。上海科学家研制的光纤激光器使 光纤激光输出功率又上升了一个新台阶，最大输出功率达 107W，已经遥遥领先于全国同 行。 2004 年，南开大学又报道了连续泵浦 206kW 峰值功率的调 Q 脉冲。 2004 年 12 月 3 日，烽火通信报道，继推出激光输出功率达 100W 以上的双包层掺镱 光纤后，经过艰苦的攻关再创佳绩，将该类新型光纤的输出功率成功提高至 440W，达到 国际领先水平。这是烽火通信在特种光纤领域迈出的重要一步，同时也是我国在高功率激光器用光纤 领域的重大突破。掺镱双包层光纤激光器是国际上新近

14、发展的一种新型高功率激光器件， 由于其具有光束质量好、效率高、易于散热和易于实现高功率等特点，近年来发展迅速， 并已成为高精度激光加工、激光雷达系统、光通信及目标指示等领域中相干光源的重要候 选者。双包层掺镱激光器的主要激光增益介质是双包层掺镱光纤，因此双包层掺镱光纤的 性能直接决定了该类激光器的转换效率和输出功率。烽火通信作为国内唯一一家进行双包 层掺镱光纤研究的单位，在成功推出输出功率达 100W 以上的完全可商用的双包层掺镱光 纤产品后，又加大的研发力度，使得其输出功率实现 440W 以上，达到国际领先水平。 光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性。不 过，在短期内，光纤激光器将主要聚焦在高端用途上随光纤激光器的普及，成本的降低以 及产能的提高，最终将可能会替代掉全球大部分高功率 CO2 激光器和绝大部分 YAG 激光 器。