高功率光纤激光器

2020/3/301高功率光纤激光器及其应用HighPowerFiberLaser&ItsApplication中国科学院广州电子技术研究所王天及2020/3/302次目摘要引言高功率光纤激光器的工作原理高功率光纤激光器的特性及其应用展望2020/3/303摘要1，概要地描述高功率光纤激光器的基本工作原理和关键技术;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。2020/3/304引言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。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。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。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。2020/3/305高功率光纤激光器的应用领域金属和非金属材料的加工与处理；激光雕刻；激光产品打标；激光焊接，焊缝清理；精密打孔；激光检测和测量；激光图形艺术成像；激光雷达系统，污染控制；传感技术和空间技术；激光医学等等。2020/3/306高功率光纤激光器的主要特性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；由于双包层泵浦技术(DoubleCladdingPumpedTechnology)的发明与特殊工艺的融合便诞生了高功率的光纤激光器；目前光纤激光器波长范围可以从蓝、绿、红可见波长到2000nm；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。2020/3/307高功率光纤激光器的主要优点2002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：*转换效率高（可高达20%）；*寿命长（平均无故障工作时间在10万小时以上）；*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-20C至+70C之间）；*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，*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）；*方便光纤导出；*易于系统集成；*无有体积庞大的电源系统。2020/3/308高功率光纤激光器的工作原理-1光纤激光器是在光纤放大器的基础上而发展起来的。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。掺杂稀土元素的光纤就充当了光纤激光器的增益介质。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。一般是采用光纤光栅构成光纤激光器的谐振腔。2020/3/309高功率光纤激光器的工作原理-2高功率光纤激光器的关键技术:用于泵浦的宽面、多模大功率激光二极管;截面为梅花瓣形的内包层或多孔的双包层光纤；单模掺镱纤芯;锥形捆扎或树叉形双包层光纤泵浦光导入口;特殊耦合技术;光纤光栅谐振腔.2020/3/3010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2020/3/3011高功率光纤激光器的工作原理-45m纤芯多模DiodePnmpTaperedFiberBundle特殊耦合器2020/3/3012高功率光纤激光器的工作原理-5BundleswithallMMportsforcouplingtoYb-dopedfiber7MMFiber0.16NASinglemodeoutputMulti-Modeinputfiber1,多模大功率激光二极管泵浦;2,专门的耦合设计.2020/3/3013光纤激光器基本结构示意图Sketchoffiberlaser泵浦光970nm泵浦光970nm光纤光栅100%反射光纤光栅10%反射2020/3/3014几种泵浦方式12020/3/3015多模、包层泵浦示意图Multi-mode,claddingpumping掺杂稀土元素的单模纤芯Rareearthdopedsinglemodecore单模输出LaseroutputSingle-mode包层cladding在单模纤芯内被镱原子吸收的多模泵浦光Multi-modepumplightisabsorbedbyytterbiumatomsinthesingle-modecore特殊设计的树杈形包层光纤Claddingfiberin“theforkofatree”shape2020/3/3016掺稀土元素硅光纤的制作使用MCVD(ModifiedChemicalVaporDeposition)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2020/3/3017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。2020/3/3018Yb3+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2F7/2能级2F5/2能级2020/3/3019Yb+3基态与激发态吸收谱Wavelength(nm)[1]GroundStateAbsorption[2]ExcitedStateGain[1][2]2020/3/3020光纤激光器包层泵浦技术示意图claddingpumpingtechnologyinfiberlaserPumpdiodewithabroad-area宽面的泵浦激光二极管Claddingfiberandcaredopedrareearthelements双包层光纤及掺杂稀土元素的纤芯Laseroutput激光输出2020/3/3021宽面的泵浦激光二极管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2020/3/3022包层光线横截面与包层泵浦技术示意图Sectionofcladdingfiberandcladdingpumpingtechnology纤芯Core外包层Outerclad矩形内包层偏心圆内包层内包层Innerclad花瓣形内包层2020/3/3023包层光纤横断面的几何形状光纤内包层横断面的几何形状是很重要的。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。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。例如设计成：偏心圆式的内包层，矩形的内包层，花瓣形的内包层。2020/3/3024多孔双包层光纤截面扫描电子显微镜照片Fromrefrences[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mOuterjacketcoreInnercladdingOutercladding2020/3/3025多孔双包层光纤截面扫描电子显微镜照片大小孔内包层低阈值,有效吸收2020/3/3026光子晶体多孔双包层光纤截面扫描电子显微镜照片M2020/3/3027光子晶体多孔双包层光纤激光器强度分布M参考文献[8]2020/3/3028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=1.46125μ90μ8μ2020/3/3029Maxwell’sequation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PkjEkjZE221202EP0见参考文献[7]2020/3/3030掺镱纤芯的吸收光谱SpectralabsorptionYb+3Wavelength(nm)MultimodeAbsorption(dB/m)976nm915,940nm2020/3/3031Multi-modeandparallelpumping多模、并行泵浦示意图多个二极管并行泵浦MorediodesarecoupledintothefiberDoublecladdingdopedfiberSpecialcouplerOutputlaser2020/3/3032并行泵浦示意图Z光纤泵浦二极管泵浦二极管柱面透镜2020/3/3033大功率宽面多模二极管的并行泵浦技术的优点1，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。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。3，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(915-980nm),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。2020/3/3034环碟型光纤激光器的泵浦日本Hoya大学K.Ueda光纤长100M10W2020/3/3035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FullyIntegratedAssemblyofTaperedFiberBundle输出高功率泵浦源整体集成组件1060nm2020/3/3036单模连续输出掺镱光纤激光器10Watts2020/3/3037单模连续输出掺镱光纤激光器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。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.环境相对湿度允许在90%以上，而适应的环境温度范围可在–20C至+70C之间。2020/3/3038单模连续输出掺镱光纤激光器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。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。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。光纤传输线可达20米以上。2020/3/3039单模连续输出100瓦掺镱光纤激光器主要特征：1，光学输出功率100瓦以上；2，最佳光束品质M^21.1;3，光纤发送20米以上；4，线偏振选项；5，紧凑封装；6，无水冷；7，10万小时无需维修的运转。2020/3/3040单模连续输出100瓦掺镱光纤激光器应用范围：1，微雕刻；2，材料处理；3，产品打标；4，微机械；5，图形艺术成像；6，非线性变频器泵浦。2020/3/3041单模连续输出10W掺镱光纤激光器倍频2020/3/3042单模连续输出100W掺镱光纤激光器2020/3/3043(2002,05之前)世界上最大功率的光纤激光器主要特点：1，激光器工作输出功率700瓦；2，输出光束参数有最佳改善1.4mm*mrad；3，具有很高的转换效率，高达20%；4，单模光纤输