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浅谈高功率光纤激光器技术特点及国内现状

2015-03-16 09:27
孤身万里游
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  所谓高功率光纤激光器,是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言(功率为mW级),是定位于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业的高强度光源。高功率光纤激光器巧妙地把光纤技术与激光原理有机地融为一体,铸造了21世纪最先进和最犀利的激光器。即使是在激光技术发达的国家,光纤激光器也是尖端、神秘和充满诱惑的代名词。2002年6月,光纤激光器空降中国,震撼了中国激光学术和产业界,引起了尊至院士的深情关注!

  一、光纤技术

  光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底,整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。

  光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维,主要广泛应用于光纤通讯,其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-62.5μm)、中间低折射率硅玻璃包层(芯径一般为125μm)和最外部的加强树脂涂层组成。〈见图一〉光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤:中心玻璃芯较细(直径9μm+0.5μm),只能传一种模式的光,其模间色散很小,具有自选模和限模的功能。多模光纤:中心玻璃芯较粗(50μm+1μm),可传多种模式的光,但其模间色散较大,传输的光不纯。

  用于高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤,而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。

 

  双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层,对泵浦光而言是多模的,直径和受光角较大,能大肆吸收高亮度的多模泵浦光,在光纤内聚集大量的光子。实践证明:横截面为D型和矩形的双包层光纤具有95%的耦合效率因而得到广泛应用。对于脉冲光纤激光器而言,一个重大的课题就是如何提高光纤的耐辐射能力。目前世界上光纤激光器的单脉冲能力可以达到20,000W,一根头发丝大小的光纤如何能承受如此高的激光辐射?所以必须考虑在光纤内掺杂某种特殊离子防止光纤被烧坏。比如掺杂了铈离子的光纤就是在核辐射情况下,既不会因染色而失去透光能力,更不会受热变形。

  二、传统固体激光器

  激光器说白了就是一个波长转换器---波长短的泵浦光激励掺杂离子转换成长波长的光辐射,它一般由3部分组成:工作物质、谐振腔和泵浦系统。由于光纤激光器本质上属于固体激光器,所以在此仅比较一下传统Nd:YAG激光器的特性。

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