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光纤激光器的范畴应该更广泛

2008-01-18 14:27
小鱼时代
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       光纤激光器是当前工业激光界的热门话题。由于其集高可靠性、高效率、低成本和高光束质量等优点于一身,因此光纤激光器有望引领激光产业的一场变革。由电信行业的迅猛发展而带动的高亮度激光二极管和光纤技术的发展,潜在地推动了光纤激光器的进步。尽管我们目前还没有看到由光纤激光器所引发的变革,但是激光二极管和光纤正在经历一场变革,而光纤激光器恰恰是这场变革中最引人注目的亮点。
用作泵浦源的激光二极管有两种类型:阵列发射型和单发射型。通常阵列发射激光二极管棒长为1cm,含有50个100?m的激光条,每个激光条向自由空间的输出功率约为1W。采用阵列发射激光二极管,输出功率密度高达50W/cm,这同时也对散热问题提出了挑战。但对泵浦晶体来说,阵列发射激光二极管输出光束的空间分布比较理想,并且价格适中。为了实现高亮度,可以通过光纤将一个或者多个激光棒输出的激光进行耦合,但需要复杂的自由空间光学技术,并且成本较高,因此只能在小范围内适用。工业激光棒的额定使用寿命通常为10,000~20,000小时。 

       相比之下,单发射器激光二极管从一个100?m的激光条输出激光,直接耦合进入一个独立的封装,输出功率高达10W。对于平均使用寿命大于10万小时的激光二极管,专用封装则只是出于经济上的考虑,要获得更高的功率密度,只能采用功率更高的半导体激光二极管。将光纤耦合的高亮度性和可靠性在900~980nm波段有机地结合起来,加上适中的价格,这些将为二极管泵浦光纤激光器提供一个理想的平台,而且这一波段早在上个世纪九十年代初就在电信领域实现了商用。 

       固体激光器传统上采用掺杂、棒状晶体作为增益介质。最近的技术进步已经将激光棒的纵向尺寸发展到了一个极致。盘形激光器通常采用超短激光棒,其目的是减小热透镜效应从而获得高质量的光束输出。相比之下,光纤激光器却可以通过在单模波导中无限制地延伸纵向尺寸从而实现质量更高的光束输出。但是相比于已经实现商用的常用激光棒,高性能的超短激光棒和光纤的获得则较为困难。 

       因为高亮度激光二极管和光纤不同于传统的激光工业部件,因此传统的工业激光界不仅认为光纤激光器是一个挑战,同时也是一个威胁。相比之下,电信设备供应商对两种技术的态度则较为温和。说到底,光纤激光器和掺铒光纤放大器(EDFA)结构类似,只不过多了反射镜而已。每年都有数以千计的EDFA部署在电信网络中,并且以极低的故障率运行,其预期的连续运行时间长达12年,并且随着需求的增加和技术的进步,EDFA的价格正在稳步下降。致力于激光器光纤化的公司也希望新型的工业激光器产生同样的效果。 

       目前,光纤激光器已经被很多新兴应用广泛采用。光纤是最显著的增益介质,高亮度泵浦光通过光纤传输和注入损耗较低,光纤对光的密闭传输既可以保证有效地转换泵浦能量,又可以实现将光直接传输到工件。整个平台每一个部分均实现模块化,模块间的对接和装配一目了然。相比之下,目前基于传统激光器的平台不但光路复杂而且对环境比较敏感。 

       目前,光纤激光器元件比以往发展得更为迅速。光纤是迄今为止发现的最适合传导光的媒介。对工件进行立体加工时,利用光纤可以实现激光器的远程操作。利用光纤的波导特性作为载体来取代自由空间传输是一项新的技术创新。2007年1月20-25日在美国San Jose举行的西部光电博览会上,JDSU公司展示了FCD488型蓝光激光器,该激光器将泵浦激光二极管和非线性介质通过两个光纤耦合蝶状封装连接起来。激光二极管在亮度、输出功率和可靠性方面的迅速进步,使得每瓦输出的价格也在迅速下降,在许多曾经是传统的气体和固体激光器叱咤风云的领域,目前也能看到基于光纤耦合的二极管泵浦激光器的身影。对于这些光纤耦合输出的二极管激光器,难道仅仅因为缺少几米增益光纤,就不能称之为光纤激光器了吗? 

       工业激光器越来越多地利用光纤实现非线性变换和Q开关功能,而这些功能以前均通过晶体实现。光纤激光器目前能产生黄光、绿光甚至白光。新型调Q光纤激光器由于其在近红外和紫外波段可以实现高重复频率的脉冲输出,因此在标识和材料加工领域,光纤激光器对传统Nd:YAG和CO2激光器是一个巨大的挑战。 

       因此,我们不应该狭义地理解光纤激光器,而应该从一个全新的视角来认识它。将单发射泵浦源和光纤有机地结合起来,可以实现许多令人耳目一新的功能,并将最终实现二极管泵浦固体激光器所具有的功能。不论您使用什么类型的激光器,在它的内部含有光纤的可能性将越来越大。
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