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高功率光纤激光器获突破 中国“追赶者”角色未变

导读: 以IPG为代表的国外公司,在光纤激光器领域不断获得突破,开发出先进的高功率光纤激光器。由于国外对高功率光纤激光器关键技术及核心器件的垄断,中国在该领域一直苦苦追赶。

  ——近年来来光纤激光器作为一种先进的光源取得了快速的发展,光纤激光器越来越多地应用到工业加工领域,对传统激光器产生很大的冲击。以IPG为代表的国外公司,在光纤激光器领域不断获得突破,开发出先进的高功率光纤激光器。由于国外对高功率光纤激光器关键技术及核心器件的垄断,中国在该领域一直苦苦追赶。

  今年以来,国内激光器研发领域捷报频传。4月23日,我国首台万瓦连续光纤激光器在武汉光谷问世,成为继美国后第二个掌握此技术的国家。这台由武汉锐科公司研制的光纤激光器采用相干合成技术,将10个功率为1.1千瓦光纤激光器的激光束合成一束,最终产生1万瓦的强大能量。

  而3月份,《中国科学报》报道了国防科技大学光电科学与工程学院刘泽金教授的成果。报道称刘泽金教授率领课题组,发明了两种新的相位控制方法,令"千瓦级光纤激光相干合成试验系统"的各项技术指标都达到该领域的国际最高水平。

  虽然我国在光纤激光器领域取得了相当大的进展,但是与国外差距仍然很明显。我国最先进的单模光纤激光器输出功率今年还是1千瓦级,美国也在09年将5千瓦产品武器化。而作为行业翘楚的美国IPG公司在09年还展示10千瓦级的单模光纤激光器,武汉锐科在今年将10个单模光纤激光器通过光束相干合成才获得10千瓦的输出。可以说,单在输出功率方面,乐观估计,我国全固态激光产品与美国还有5-10年的差距。

  过去10年光纤激光技术在输出功率、光束质量和亮度等方面取得了巨大进步。因为光纤激光器的高效率会进一步降低电功率需求( 有可能减小l/2),在工业制造方面有进一步突破,而这些新的制造技术会引发更多的目前尚未实现或等待开发的新设计和加工方法。高功率光纤激光器最终将会成为制造业的主流设备之一。

  光纤激光器研发历程及趋势

  光纤激光器的历史和激光器本身的历史几乎一样长。但是由于增益光纤和泵浦光源等技术上的限制,商用光纤激光器直到20世纪末才出现。20世纪70年代以来,随着光纤制备技术以及谐振腔结构的改进,光纤激光器有了很大的发展,特别是80年代中期英国南安普顿掺Er 3+光纤的突破,光纤激光器的实用化成为可能,并显示出十分诱人的应用前景,受到人们的广泛重视。90年代开始出现了双包层掺杂光纤激光器的研究。20世纪末宝利来公司的研究人员采用包层泵浦技术,在实验室获得了100 W的激光输出,使得光纤激光器的实用化进入实际阶段。2001年,SDL公司推出了第l 台商用的拉曼光纤激光器,采用Yb包层泵浦激光器泵浦光栅式级联拉曼激光器的结构,根据这种结构可方便地设计出适合输出1.30μm、1.45μm的谐振腔结构。IPG光子公司采用类似的结构实现了l200~l600 nm波段可选择任意波长的激光输出,输出功率达到了lO W。DIANOVE.M.等人用掺有P205的光纤实现l240 nm、l480 nm处的激光输出。2003年6月,美国IPG公司在德国激光展演示了一台1.1μm,连续输出10 kW的光纤激光器引起了业内的震撼!

  高功率光纤激光器可能的应用包括:激光焊接(小于l mm的窄区) 、热处理、激光烧结、覆层塑料热合( 焊接)、软焊涂料剥除、连续缝焊激光成型、环氧固化自由形态加工、点焊医学应用、激光二极管泵浦应用激光照明以及表面溶解混合成型等。最可能的应用是在大尺寸制造领域,目前还没有发挥很大的作用。其中一些领域被看作是有发展潜力的领域,包括:汽车、采暖通风与空调( HVAC) 、导管制造业、大型金属结构等。光纤激光器有多种军事应用。例如用于目标捕获的激光指示器( 单脉冲能量大于l00 mJ ) 、激光测距仪(单脉冲能量大于l00 mJ,脉宽小于lOns) 以及功率大于100 kW( 目标是1 Mw) 的激光武器。得到美国国防部高级研究计划署( DARPA) 资助的美国诺斯罗普·格鲁曼( NOC) 公司以及SPI 和IPG公司利用多光束相干合束技术研究高功率光纤激光器,为机载和舰载应用开发高于l00 kW的光纤激光武器。

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