高功率光纤激光器

高功率光纤激光器及其应用 High Power Fiber Laser 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Date3引言l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l国家自然科学基金委和“863”分别将其列入2002年的 重大研究课题和攻关项目 l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l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Date4高功率光纤激光器的应用领域l金属和非金属材料的加工与处理；l激光雕刻；l激光产品打标；l激光焊接，焊缝清理；l精密打孔；l激光检测和测量；|激光图形艺术成像；l激光雷达系统，污染控制；l传感技术和空间技术；l激光医学等等Date5高功率光纤激光器的主要特性l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；l由于双包层泵浦技术l(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 ；l目前光纤激光器波长范围可以从蓝、绿、红可见 波长到2000nm；l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。

Date6高功率光纤激光器的主要优点l2002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1.06m), 这种激光器的特点是： l *转换效率高（可高达20%）；l *寿命长（平均无故障工作时间在10万小时以上）；l *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）；l *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，l *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）；l *方便光纤导出；l *易于系统集成；l *无有体积庞大的电源系统Date7高功率光纤激光器的工作原理-1l光纤激光器是在光纤放大器的基础上而发展起来 的l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l掺杂稀土元素的光纤就充当了光纤激光器的增益 介质。

l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 l一般是采用光纤光栅构成光纤激光器的谐振腔Date8高功率光纤激光器的工作原理-2l高功率光纤激光器的关键技术:l用于泵浦的宽面、多模大功率激光二极管;l截面为梅花瓣形的内包层或多孔的双包层光纤 ；l单模掺镱纤芯;l锥形捆扎或树叉形双包层光纤泵浦光导入口;l特殊耦合技术;l光纤光栅谐振腔.Date9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Date10高功率光纤激光器的工作原理-45m纤芯多模Diode PnmpTapered Fiber Bundle特殊耦合器Date11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 Fiber 0.16 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.Date12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Date13几种泵浦方式l1Date14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 outputSingle-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”shapeDate15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Date16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Date17Yb3+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e980nm泵浦自发辐射跃迁1.06µm无辐射跃迁2F 7/2能级2F 5/2 能级Date18Yb+3基态与激发态吸收谱Wavelength(nm)Paramenter(dB/m)[1]Ground State Absorption [2]Excited State Gain[1][2]Date19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 双包层光纤及掺杂稀土元素的纤芯Laser output 激光输出Date20宽面的泵浦激光二极管l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Date21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Date22包层光纤横断面的几何形状l光纤内包层横断面的几何形状是很重要的l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l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l例如设计成：l偏心圆式的内包层，l矩形的内包层，l花瓣形的内包层Date23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=2.7m 孔间距=9.7 m外包层多孔直径d=12.3mOuter jacketcoreInner claddingOuter claddingDate24多孔双包层光纤截面扫描电子显微镜照片l大小孔内包层 低阈值,有效吸收Date25光子晶体多孔双包层光纤截面扫描电子 显微镜照片MDate26光子晶体多孔双包层光纤激光器强度 分布M参考文献[8]Date27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=1.46125μ90μ8μDate28Maxwell’s 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Maxwell’s方程:其中见参考文献[7]Date29掺镱纤芯的吸收光谱Spectral absorption Yb+3 Wavelength (nm)Multimode Absorption (dB/m)976nm915,940nmDate30Multi-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 laserDate31并行泵浦示意图lZ光纤泵浦二极管泵浦二极管柱面透镜Date32大功率宽面多模二极管的并行泵浦技术的优点l1，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 l2，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 l3，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Date33环碟型光纤激光器的泵浦l日本Hoya大学lK.Uedal光纤长100Ml10WDate34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 nmDate35单模连续输出掺镱光纤激光器 10 WattsDate36单模连续输出掺镱光纤激光器l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。

l二极管泵浦的光纤激光器发出一1.07m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.l环境相对湿度允许在90%以上，而适应的环境温度 范围可在 – 20 C至+70 C之间Date37单模连续输出掺镱光纤激光器l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l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l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l光纤传输线可达20米以上Date38单模连续输出100瓦掺镱光纤激光器l主要特征：l l1，光学输出功率100瓦以上； l2，最佳光束品质M^2700瓦；l2，输出光束参数有最佳改善 100khrs)；l8，可记录工作输出的功率密度；l9，具有连续和脉冲的运转方式；l10，空气冷却；l11，焦点直径在焦长150 mm的情况是为50m. Date43(2002,05之前)世界上最大功率的光纤激光器l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。

l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)Date44(2002,05之前)世界上最大功率的光纤激光器l该光纤激光器用来切割所有类型的金属和某些 。