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光纤激光在主流激光市场得到广泛应用

2007-02-09 16:09
论恒
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海目公司编译


光纤激光因其超高的效率和能够连续长时间地工作等优势,一经推出便得了广泛的关注。现在的光纤激光多由高功率多模单芯结二极管激光模块或二极管阵列模块通过一条带包层的单模光纤芯进行泵浦。此单模光纤芯的直径为5 到12 微米。双包层光纤的纤芯是一条掺有适量的稀土元素离子的单模光纤(如:掺钕、掺铒、掺镱及掺铥等)。包层则是由较低反射率的没有任何掺杂的石英玻璃制成。泵浦光源注入到包层中,然后在其中传导。每当其穿过纤芯时便会产生一次粒子数反转(激光发射原理中的一个必要条件)。

发射激光的波长取决于纤芯掺杂的不同离子,以及反射面种类(典型的例子是布拉格光栅)。光纤激光的基础构件为一盘双包层掺杂光纤,两个反射面和一个泵浦源。泵浦源可以是单芯结二极管激光模块,二极管阵列激光模块,也可以使用一个小功率的泵浦光纤激光(下图为光纤激光结构示意图)。

■光纤激光的种类:
光纤激光的种类很多,其中包括单模连续激光(我们可以用脉冲对其进行快速调制,速度可以超过100KHz); 拉曼激光,调Q 激光,二倍频和三倍频的等。输出的激光含括了紫外、可见及近红外等很宽的频谱范围。

调Q 光纤激光的发射原理是通过发射一个较低功率的纳秒脉冲的种子激光,透过一系列光纤放大器及调制器而生成。光纤放大器与光纤激光的构造相似,使用同样的技术,然而激光器不包含持续产生激光的反射面!这样的激光具有很好的单色性并可以生成20-200kHz的纳秒脉冲。拉曼光纤激光则是由一个单模光纤激光与一条含有特定光栅的单模特种光纤进行融接。并可以产生所需要的拉曼漂移(参考下图)。

■泵浦光纤激光
二极管阵列可以用于激发光纤激光。常用的是端面泵浦并使用相应的光学聚焦系统将泵浦光源注入光纤包层。经过一段时间的发展,高功率的二极管激光阵列可以产生较高功率的激光,及较好的光束质量,平均运行时间可以达到一万小时。但对于水冷的严格要求,脉冲模式的限制及参数的稳定性等因素限制了它的广泛应用。

而单芯结二极管激光模块具有诸多的优势。最主要的是不需要进行水冷,并可以很容易以极高的效率导入双包层光纤。无需复杂的光学聚焦及导光系统。单芯结可以产生与阵列同样的高输出功率,更高的光束质量以及更长的运行时间(在连续及脉冲调制等条件下超过20 万小时)。

光纤激光泵浦源在许多种类的光纤激光中也有广泛的应用。它可以使用二极管阵列,或单芯结技术来激发泵浦源。泵浦技术的选择和使用寿命在需要不间断,连续工作的工业生产环节中至关重要。

■单模光纤激光
在市场上可以买到几瓦到1 千瓦的输出功率的单模光纤激光。多数激光是连续的模式。然而可以对其以超过50kHz 的频率进行调制。峰值功率与平均CW 输出功率相同。光束质量参数M2<1.1。激光的模式为纯正的高斯模式。通常此类激光在交付使用时,已经根据客户对焦距的不同需求进行了扩束准直。例如:25 毫米的扩束镜,可以得到光束直径为5 毫米,发散角0.3 毫弧度的掺镱光纤激光,当最后加上聚焦镜,可以得到的光斑直径是这样计算的:最终的焦距,除以扩束镜焦距,乘以7 微米光纤直径。100 毫米的聚焦镜,25 毫米的扩束镜,最终的光斑直径为28 微米。

传统的半导体激光的模式与温度有很大的关系,需要进行精确的温度控制,而光纤则不然,它的模式仅与单模光纤的几何特性有关系。光纤激光可以在整个使用过程中保持同样的光束模式。对光纤激光的调制是通过对泵浦源开关的控制进行的。因此可以对光纤激光进行很高频率的调制,或进行单脉冲操作。与传统的固体激光不同,光纤激光因其完美的光纤截面积,无须进行预热,可以在非常宽泛的环境条件下,进行稳定的操作。如光束质量,功率等方面。这些激光可以选择线偏振输出或随机偏振模式,在10%到100%的功率输出范围内,最终聚焦光斑的大小不会因环境和功率的变化而改变。

■多模千瓦级光纤激光
千瓦级及更高输出功率的光纤激光是由数个单模光纤激光经过合束然后通过一条较大芯径的光纤传出。此时的激光已经不再是单模激光了!但此时的光束质量比其它所有千瓦级同等功率的传统激光要好得多(参考下图)。例如:一个8 千瓦的光纤激光的光束乘积数(描述激光光束质量的一个参数)<4.5 毫米.毫弧度,最终传导光纤的芯径只有100 微米。

千瓦级光纤激光的光束质量随着不断提高的单芯结激光模块的功率,正在不断提高。而且近场范围内,光束的形状比单模的高斯分布更加垂直,这一特性对于许多加工领域具有比高斯分布更有价值的应用。

■应用:
工业光纤激光在材料加工方面,在所有高功率及低功率激光的市场上都有十分广泛的应用,同是还开启了许多传统激光无法问津的新领域。其中包括:汽车焊接及切割、金属快速成型加工、打标、划片、精细金属加工、打孔及热处理等领域。单模激光因其卓越的光束质量大大改进了传统激光的工艺!在千瓦级光纤激光与同等功率的传统激光相比较,切割速度及焊接的穿透深度得到了极大的改进。另外传统激光在1 微米波段的由于巨大的耗电量,高昂的维护及运行费用,常见的最大功率仅为5 千瓦左右,而3 万瓦的光纤激光比它的运行费用及耗电量要低的多!

由于光纤激光小巧的体积、可选择的多种波段、单模操作、光纤传导及免维护等特性,使其在医疗应用领域有无限的发展前景。

在科研及政府项目上,光纤激光因其多波段、窄线宽、偏振及非偏振发射、短脉冲、单模运行、对环境变化不敏感及体积小巧(是传统激光的几十分之一倍)等诸多优质特性成为许多应用的首选设备!

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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