高功率光纤激光器获突破中国“追赶者”角色未变

2013-05-07 10:18

　　1．2光纤寿命

　　虽然双包层光纤在1 kw量级时是易于处理的，但仍有很多问题影响双包层光纤的可靠性和寿命。例如，由于氟化聚合物包层的受损引起泵浦光衰减。氟化聚合物包层既作为泵浦波导又用为光纤的保护膜。其破坏机理如下：水和玻璃表面作用引起表面形成氢氧根群，在945nm处其吸收也随之增加。通过控制相对湿度保持光纤温度低于40℃时，在lO年内损耗可以小于5％。这个温度要求在泵浦功率达到约3 kW时，光纤要水制冷，而在多根光纤打捆时只需空气制冷即可。又如，掺锗和掺铥光纤置于高功率脉冲激光器中，由于多光子效应会引起明显变黑。而掺镱光纤置于大于60 GW·cm-2(1060nm处脉冲)的激光中时，在5天内光纤的吸收不会产生变化。

　　2 高功率泵浦激光二极管

　　高功率泵浦激光二极管有3种类型：

　　( 1)单管芯激光二极管激光二极管芯片发光面尺寸约1μm×500μm，输出光功率可以达到5 W，一半采用TO封装，利用半导体冷器(TEC) 制冷。目前单管激光二极管售价为70～100美元／W。

　　( 2) 条状激光二极管阵列由50个左右的单管芯片(间隔约150μm宽) 组成激光条，每个激光条可以输出大于60 w的功率。激光条置于空气制冷或水制冷的热沉上。售价也是为70～100美元／W。

　　( 3)叠层状激光二极管阵列通过堆叠约20个激光条构成。可输出高达l200 w的连续激光。在这种结构中散热是主要问题，一般采用微通道制冷设计，使水在层叠的激光条之间的微小通道中流动，如图2所示。

　　在设计高功率光纤激光器时，泵浦激光二极管和光纤一样重要。最初的设计要求采用单横模激光二极管。但是现在双包层光纤的出现已经改变了这一要求。激光二极管的电光转换效率已经提高到接近50％，激光条叠层的功率量级也超过l kw。为制备具有竞争力的1 kw量级的光纤激光器，需要有可提供2.5～3 kw的功率的费用低廉的泵浦。除了激光条叠层器件很难有其他器件可提供这样量级的激光功率。而且，为与现存Nd：YAG和CO2激光器竞争，激光二极管价格必须降至每瓦50美元以下，并在不远的将来接近每瓦12美元。这样的价格在激光二极管规模生产时是可以实现的。有很多生产商如LIMO，美国的nLight ，德国DiLAS和Trumpf 等可以提供输出功率达1．2 kw的激光二极管，寿命为10 000 h。到2008年，激光二极管输出功率量级可达二三千瓦同时寿命可达20 000 h。