高功率光纖激光器及其應(yīng)用課件

1、高功率光纖激光器及其應(yīng)用High Power Fiber Laser & Its Application中國(guó)科學(xué)院廣州電子技術(shù)研究所王天及2022/7/301次目摘要引言高功率光纖激光器的工作原理高功率光纖激光器的特性及其應(yīng)用展望2022/7/302摘要 1，概要地描述高功率光纖激光器的基本工作原理和關(guān)鍵技術(shù); 2，介紹目前國(guó)際市場(chǎng)上剛出現(xiàn)的幾種新穎的高功率光纖激光器,并介紹它們的特征; 3，對(duì)高功率光纖激光器在一些領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。2022/7/303引言光纖激光器是當(dāng)前激光技術(shù)研究領(lǐng)域中的前沿課題，它的研究與應(yīng)用亦日趨活躍。國(guó)家自然科學(xué)基金委和“863”分別將其列入2002年的重大研

2、究課題和攻關(guān)項(xiàng)目。 隨著激光二極管及其泵浦技術(shù)、光纖材料和工藝研究的進(jìn)展，適合多種不同應(yīng)用目的的光纖激光器亦繽呈異彩地涌現(xiàn)于世。其應(yīng)用領(lǐng)域也已從目前最為成熟的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)方面迅速地向其他更為廣闊的激光應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。2022/7/304高功率光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域金屬和非金屬材料的加工與處理；激光雕刻；激光產(chǎn)品打標(biāo)；激光焊接，焊縫清理；精密打孔；激光檢測(cè)和測(cè)量；激光圖形藝術(shù)成像；激光雷達(dá)系統(tǒng)，污染控制；傳感技術(shù)和空間技術(shù)；激光醫(yī)學(xué)等等。2022/7/305高功率光纖激光器的主要特性在光纖材料中摻雜鉺(Er)，銩(Tm)，鐠(Pr)，鐿(Yb)等不同的稀土元素便會(huì)使光纖激光器有多種不同的輸出波長(zhǎng)；由

3、于雙包層泵浦技術(shù)(Double Cladding Pumped Technology) 的發(fā)明與特殊工藝的融合便誕生了高功率的光纖激光器；目前光纖激光器波長(zhǎng)范圍可以從藍(lán)、綠、紅可見(jiàn)波長(zhǎng)到2000nm；光纖激光器輸出的連續(xù)激光功率從百毫瓦量級(jí)上升到百瓦的量級(jí),千瓦量級(jí),乃至萬(wàn)瓦量級(jí)。2022/7/306高功率光纖激光器的主要優(yōu)點(diǎn)2002年1月,美國(guó)一公司推出一種摻鐿的高功率光纖激光器，其連續(xù)出功率高達(dá)700瓦 (波長(zhǎng)為1.06m), 這種激光器的特點(diǎn)是： *轉(zhuǎn)換效率高（可高達(dá)20%）； *壽命長(zhǎng)（平均無(wú)故障工作時(shí)間在10萬(wàn)小時(shí)以上）； *可在惡劣的環(huán)境下工作（由于其共振腔置于光纖內(nèi)部， 即使在高

4、沖擊，高震動(dòng)，高濕度，有灰塵的條件下皆可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而環(huán)境溫度范圍允許在-20 C至+70 C之間）； *無(wú)論是連續(xù)或脈沖的運(yùn)轉(zhuǎn)方式皆無(wú)需龐大的水冷或風(fēng)冷系統(tǒng).只需一般的散熱體或簡(jiǎn)便的風(fēng)冷即可， *其外型緊湊體積小（光纖激光器模塊的體積大約有一本字典的大?。?； *方便光纖導(dǎo)出； *易于系統(tǒng)集成； *無(wú)有體積龐大的電源系統(tǒng)。2022/7/307高功率光纖激光器的工作原理-1光纖激光器是在光纖放大器的基礎(chǔ)上而發(fā)展起來(lái)的。它是利用摻雜稀土元素的光纖，再加上一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆答仚C(jī)制便形成了光纖激光器。摻雜稀土元素的光纖就充當(dāng)了光纖激光器的增益介質(zhì)。在光纖激光器中有一根非常細(xì)的光纖纖芯，由于外泵浦光的作用，在光

5、纖內(nèi)便很容易形成高功率密度，從而引起激光工作物質(zhì)能級(jí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。一般是采用光纖光柵構(gòu)成光纖激光器的諧振腔。2022/7/308高功率光纖激光器的工作原理-2高功率光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù):用于泵浦的寬面、多模大功率激光二極管;截面為梅花瓣形的內(nèi)包層或多孔的雙包層光纖；單模摻鐿纖芯;錐形捆扎或樹(shù)叉形雙包層光纖泵浦光導(dǎo)入口;特殊耦合技術(shù);光纖光柵諧振腔.2022/7/309高功率光纖激光器的工作原理-3內(nèi)包層摻Y(jié)b單模纖芯外包層光纖光柵摻鐿雙包層泵浦光纖輸出端低折射率的外包層光纖專(zhuān)利設(shè)計(jì)雙包層泵浦光纖之截面圖2022/7/3010高功率光纖激光器的工作原理-45m纖芯多模Diode PnmpTape

6、red Fiber Bundle特殊耦合器2022/7/3011高功率光纖激光器的工作原理-5Bundles with all MM ports for coupling to Yb-doped fiber7 MM Fiber0.16 NASingle mode outputMulti-Mode input fiber1,多模大功率激光二極管泵浦;2,專(zhuān)門(mén)的耦合設(shè)計(jì).2022/7/3012光纖激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖Sketch of fiber laser泵浦光970nm泵浦光970nm激光輸出光纖光柵100%反射光纖光柵10%反射摻鐿(Yb)光纖2022/7/3013幾種泵浦方式12022/7

7、/3014多模、包層泵浦示意圖Multi-mode,cladding pumping摻雜稀土元素的單模纖芯Rare earth doped single mode core多模泵浦光Multi-mode pump light單模輸出Laser output Single-mode包層cladding在單模纖芯內(nèi)被鐿原子吸收的多模泵浦光Multi-mode pump light is absorbed by ytterbium atoms in the single-mode core特殊設(shè)計(jì)的樹(shù)杈形包層光纖Cladding fiber in “the fork of a tree”shape2

8、022/7/3015摻稀土元素硅光纖的制作使用MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)設(shè)備稀土元素溶液的摻雜低折射率鍍層制做雙包層光纖超聲成型2022/7/3016高功率光纖激光器的工作原理- 6 若在包層光纖材料中摻雜不同的稀土元素，例如摻雜鉺(Er)，銩(Tm)，鐠(Pr)，鐿(Yb)等不同的稀土元素即會(huì)使得光纖激光器有多種不同的激光波長(zhǎng)輸出。 如果用多個(gè)多模激光二極管同時(shí)耦合至雙包層光纖上，就可以獲得高功率的激光輸出。這就是被稱(chēng)之為雙包層、多模、并行泵浦技術(shù)。2022/7/3017Yb3+離子能級(jí)圖基態(tài)子能級(jí)a亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)d基態(tài)子能級(jí)c激發(fā)態(tài)子能級(jí)

9、e980nm泵浦自發(fā)輻射躍遷1.06m無(wú)輻射躍遷2F 7/2能級(jí)2F 5/2 能級(jí)2022/7/3018Yb+3基態(tài)與激發(fā)態(tài)吸收譜Wavelength(nm)Paramenter(dB/m)1Ground State Absorption2Excited State Gain122022/7/3019光纖激光器包層泵浦技術(shù)示意圖 cladding pumping technology in fiber laserPump diode with a broad-area寬面的泵浦激光二極管 Cladding fiber and care doped rare earth elements雙包層光

10、纖及摻雜稀土元素的纖芯Laser output激光輸出2022/7/3020寬面的泵浦激光二極管多模泵浦二極管其穩(wěn)定性很高。幾何上的寬面就使得LD的斷面上的光功率密度很低且通過(guò)活性面的電流密度亦很低。這樣泵浦二極管的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)壽命就會(huì)很長(zhǎng)。 外包層內(nèi)包層纖芯輸出光束寬面二極管2022/7/3021包層光線橫截面與包層泵浦技術(shù)示意圖Section of cladding fiber and cladding pumping technology纖芯Core外包層Outer clad矩形內(nèi)包層偏心圓內(nèi)包層內(nèi)包層Inner clad花瓣形內(nèi)包層2022/7/3022包層光纖橫斷面的幾何形狀光纖內(nèi)包層橫

11、斷面的幾何形狀是很重要的。如果設(shè)計(jì)成圓形，而纖芯又居其中心，這樣大部分的泵浦光就不能橫穿過(guò)纖芯。設(shè)計(jì)出其它光纖內(nèi)包層橫斷面的幾何形狀，以使更多的泵浦光橫穿過(guò)纖芯。例如設(shè)計(jì)成：偏心圓式的內(nèi)包層，矩形的內(nèi)包層，花瓣形的內(nèi)包層。2022/7/3023多孔雙包層光纖截面掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)rom refrences 4參考文獻(xiàn)內(nèi)包層多孔直徑d=2.7m孔間距=9.7 m外包層多孔直徑d=12.3mOuter jacketcoreInner claddingOuter cladding2022/7/3024多孔雙包層光纖截面掃描電子顯微鏡照片大小孔內(nèi)包層低閾值,有效吸收2022/7/3025光子晶體多孔

12、雙包層光纖截面掃描電子顯微鏡照片M2022/7/3026光子晶體多孔雙包層光纖激光器強(qiáng)度分布M參考文獻(xiàn)82022/7/3027梅花瓣形內(nèi)包層光纖尺寸示意第二包層摻氟石英 n=1.40第一包層熔凝石英 n=1.45纖芯-摻鐿熔凝石英 n=1.461259082022/7/3028Maxwells equation泵浦摻鐿光纖,在任意端面形狀的包層區(qū)和光纖內(nèi)光的傳播遵從Maxwells方程:其中見(jiàn)參考文獻(xiàn)72022/7/3029摻鐿纖芯的吸收光譜Spectral absorptionYb+3 Wavelength (nm)Multimode Absorption (dB/m)976nm915,94

13、0nm2022/7/3030Multi-mode and parallel pumping多模、并行泵浦示意圖多個(gè)二極管并行泵浦More diodes are coupled into the fiberDouble cladding doped fiberSpecial couplerOutput laser2022/7/3031并行泵浦示意圖Z光纖泵浦二極管泵浦二極管柱面透鏡2022/7/3032大功率寬面多模二極管的并行泵浦技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)1，高功率。一個(gè)多模泵浦二極管可輻射出大于100瓦的激光功率，多個(gè)多模泵浦二極管并行設(shè)置，即可允許設(shè)計(jì)出很高功率輸出的光纖激光器。2，無(wú)需熱電冷卻器。這種大

14、功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作。3，很寬的泵浦波長(zhǎng)范圍。高功率光纖激光器內(nèi)的活性包層光纖摻雜了鐿稀土元素，有一個(gè)很寬且又平坦的光波吸收區(qū) (915-980 nm ),因此，泵浦二極管不需任何類(lèi)型的波長(zhǎng)穩(wěn)定裝置。 4，高可靠性。多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來(lái)其穩(wěn)定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得激光器的截面上的光功率密度很低且通過(guò)活性面的電流密度亦很低。這樣一來(lái)，泵浦二極管 其可靠運(yùn)轉(zhuǎn)壽命超過(guò)能 10萬(wàn)小時(shí)。2022/7/3033環(huán)碟型光纖激光器的泵浦日本Hoya大學(xué)K.Ueda光纖長(zhǎng)100M10W2022/7/3034錐形捆扎光纖束集成組件多模錐形捆扎光纖束摻鐿包層泵浦光纖激光

15、器串級(jí)Raman諧振器Fully Integrated Assembly of Tapered Fiber Bundle輸出高功率泵浦源整體集成組件1060 nm2022/7/3035單模連續(xù)輸出摻鐿光纖激光器10 Watts2022/7/3036單模連續(xù)輸出摻鐿光纖激光器市場(chǎng)上已有的5W, 10W, 20W, 50W以及100W 摻鐿光纖激光器是為無(wú)需維修的OEM系統(tǒng)中的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。二極管泵浦的光纖激光器發(fā)出一1.07m的單模激光,經(jīng)帶有外套的單模光纖光纜直接引至工作點(diǎn)上。這種緊湊無(wú)伺服的激光器設(shè)計(jì)使其可在高沖擊，高震動(dòng)和有灰塵的條件下運(yùn)轉(zhuǎn).環(huán)境相對(duì)濕度允許在90%以上，而適應(yīng)的環(huán)境溫度范圍

16、可在 20 C至+70 C之間。2022/7/3037單模連續(xù)輸出摻鐿光纖激光器該光纖激光器能夠直接安置在微機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)，或微雕刻和材料處理系統(tǒng)中以及產(chǎn)品打標(biāo)系統(tǒng)中，無(wú)需安裝后的伺服。該光纖激光器無(wú)需換置配件和材料。墻插電轉(zhuǎn)換效率在20%以上, 其外形緊湊，簡(jiǎn)便的風(fēng)冷即可。在結(jié)構(gòu)上,其設(shè)計(jì)結(jié)實(shí)而緊湊,集成化，無(wú)光學(xué)元件排列的調(diào)準(zhǔn)或維修之需;亦無(wú)機(jī)械穩(wěn)定性的問(wèn)題。光纖傳輸線可達(dá)20米以上。2022/7/3038單模連續(xù)輸出100瓦摻鐿光纖激光器主要特征：1，光學(xué)輸出功率100瓦以上；2，最佳光束品質(zhì)M2700瓦；2，輸出光束參數(shù)有最佳改善 100khrs)；8，可記錄工作輸出的功率密度；9，具有連

17、續(xù)和脈沖的運(yùn)轉(zhuǎn)方式；10，空氣冷卻；11，焦點(diǎn)直徑在焦長(zhǎng)150 mm的情況是為50m. 2022/7/3043(2002,05之前)世界上最大功率的光纖激光器美國(guó)一公司曾推出的一個(gè)光纖激光器的新產(chǎn)品，號(hào)稱(chēng)是當(dāng)時(shí)世界上最大功率的光纖激光器。該激光器有700瓦的功率的輸出，在光纖的輸出端最佳的光束參數(shù)為12 mm*mrad)。2022/7/3044(2002,05之前)世界上最大功率的光纖激光器該光纖激光器用來(lái)切割所有類(lèi)型的金屬和某些非金屬材料是較理想的，在工作區(qū)提供一個(gè)較完美的光束質(zhì)量和強(qiáng)大的功率密度。盡管其功率比千瓦級(jí)的CO2 激光器低一些，然而這種光纖激光器對(duì)切割和焊接那些高反射率的材料，例

18、如：鋁，銅等金屬材料是很適合的，工作效率很高。該光纖激光器亦具有很好的輸出光束的質(zhì)量，在150mm長(zhǎng)焦深處，其光束錐度不大于5度，具有可為工作區(qū)提供高功率密度的能力。2022/7/3045(2002,05之前)世界上最大功率的光纖激光器該光纖激光器的另一個(gè)大的優(yōu)點(diǎn)是有較高的轉(zhuǎn)換效率(20%以上)并且其泵浦二極管的壽命比任何其他高功率激光器的壽命都長(zhǎng)(100khrs)。完美的一體化設(shè)計(jì)，無(wú)須光學(xué)調(diào)準(zhǔn)或維護(hù)；無(wú)機(jī)械穩(wěn)定問(wèn)題。該激光器長(zhǎng)期無(wú)須維修，可在各種環(huán)境條件下運(yùn)轉(zhuǎn),抵需消耗很小的電能并具有方便的空氣冷卻。2022/7/3046(2002,05之前)世界上最大功率的光纖激光器在該光纖激光器中，其

19、內(nèi)含有一個(gè)緊湊的能源供給和冷卻系統(tǒng)的集成單元。通過(guò)前置平臺(tái)或電腦接口采集數(shù)據(jù)，可監(jiān)視到其所有的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。該光纖激光器體積小、重量輕再加之其有靈活的單模光纖輸出可以很容易地集成到工廠的精密系統(tǒng)生產(chǎn)線上去。2022/7/3047目前市場(chǎng)上幾種大功率的光纖激光器主要參數(shù)：工作點(diǎn)上的激光功率 輸出光束參數(shù) 工作點(diǎn)上的聚焦直徑# 300W 0.7mm*mrad 30m 500W 1.4mm*mrad 50m 700W 1.4mm*mrad 50,000 Hours 氣冷或水冷光纖傳輸 Up to 200 m 體積:120*79*160 cm重量:1,000 kg輸出波長(zhǎng):1070 nm2022/7/30

20、55光纖激光器用于汽車(chē)加工12022/7/3056超緊湊型1瓦、單模光纖激光器2022/7/3057超緊湊型1瓦、單模光纖激光器特點(diǎn):1, 超緊湊,尺寸：90 x 70 x 15 mm ( 3.5 x 3.0 x 0.5 in );2, 輸出波長(zhǎng)1040-1120 nm; 單模；3, 低損耗，供電3.3V, DC,10瓦以下;4,二極管泵浦光纖到光纖工作(DPFF);應(yīng)用范圍:1,照像復(fù)制術(shù) (reprographics);2,光譜學(xué) (spectroscopy);3,成像技術(shù) (imaging)4,晶片檢測(cè) (wafer inspection)5,航空電子學(xué) (avionics).2022/

21、7/3058300W TEMoo (M21.1) 單模100 to 300W Output Optical Power1070 to 1120nm Wavelengths RangeOver 20% Wall-Plug EfficiencyTEMoo (M250,000 hours Pump Laser LifetimeMaintenance Free OperationUp to 200 m Fiber Delivery2003年5月22日IPG 推出2022/7/3059使用CO2 激光器的激光打標(biāo)機(jī)50W2022/7/3060用于切割的軸流CO2激光器2000W軸流CO2激光器2022/

22、7/3061使用Diode Pumped Nd: YAG激光器的激光打標(biāo)機(jī)50W642022/7/3062用于熔覆的CO2激光器2022/7/3063體積龐大的YAG激光加工系統(tǒng)2022/7/3064光纖激光打標(biāo)機(jī)57cm*54cm*34cm642022/7/3065光纖激光器打標(biāo)機(jī)與YAG激光器的激光打標(biāo)機(jī) 圖片65光纖激光打標(biāo)機(jī)是一臺(tái)光纖激光器打標(biāo)機(jī)，它是為半導(dǎo)體器件封裝和其它小的塑料裝置打標(biāo)而用。該系統(tǒng)是使用10瓦的光纖激光器。掃描頭和基本平臺(tái)、系統(tǒng)軟件包、掃描透鏡和電腦I/O卡等都集成在一個(gè)箱體中。圖片62所示的是使用Diode 泵浦的 Nd:YAG 激光器的激光打標(biāo)機(jī)?？梢院苋菀椎乜?/p>

23、出光纖激光器打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)要比Diode 泵浦的 Nd:YAG 激光器的常規(guī)激光打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)輕便得多。2022/7/3066大功率光纖激光器代替體積龐大的傳統(tǒng)的激光器的可能目前所采用的各種體積龐大的傳統(tǒng)的激光器，例如前圖所示的普遍使用的用于激光加工和激光打標(biāo)的CO2和YAG激光器以及其它DPSS激光器，勢(shì)必被這種新型的高效率，長(zhǎng)壽命，小體積，大功率光纖激光器所代替。如果在產(chǎn)業(yè)中能采用這種光纖激光器，目前許多大型的激光打標(biāo)，加工，激光醫(yī)療設(shè)備就可以制成便攜式、靈巧的系統(tǒng)。2022/7/3067脈沖高能摻鐿光纖激光器 每個(gè)脈沖能量 Up to 2mJ平均輸出功率Up to 200W脈寬 80 to 50

24、0ns重復(fù)可調(diào) 20 to 200kHz墻插效率 Over 10%空氣冷卻緊湊輸出波長(zhǎng)：1060nm 打標(biāo)、清理焊縫、顯微機(jī)械加工、精密打孔、焊接、切割2003年8月5日IPG推出2022/7/3068光纖激光器輸出波長(zhǎng)向可見(jiàn)波段發(fā)展光纖激光器輸出波長(zhǎng)向可見(jiàn)波段發(fā)展，目標(biāo)是藍(lán)、綠和近紫外。2003年8月5日IPG推出：基于參鉺光纖激光器的倍頻;5-30W，輸出波長(zhǎng)770-780nm，單模的光纖激光器已于今年7月交付用戶(hù)使用。25W可見(jiàn)波段光纖激光器應(yīng)用:微加工、醫(yī)用激光、打標(biāo)、視覺(jué)藝術(shù)2022/7/3069可見(jiàn)波段的光纖激光器該可見(jiàn)波段的光纖激光器在770nm 與780nm間可調(diào),單模連續(xù)輸出

25、5-30W.脈沖頻率在10-20MHz之間可調(diào),脈寬為2-3ns. 光束質(zhì)量：M210%下一目標(biāo):385-390nm5W2022/7/3070結(jié)束語(yǔ)新型高功率的光纖激光器越來(lái)越引起激光技術(shù)研究人員和激光技術(shù)應(yīng)用者的注意。它初露鋒芒地展現(xiàn)出美好的應(yīng)用前景，毫無(wú)疑問(wèn)，它潛在著非常廣闊的市場(chǎng)。有關(guān)這種高功率光纖激光器的研究，開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)及其各種應(yīng)用，無(wú)疑也將會(huì)迅速地形成一個(gè)新型的產(chǎn)業(yè)。2022/7/3071參考文獻(xiàn)1, J. Nilsson, A. B. Grudinin, and P. W. Turner, Advanced pulsed and cw high-power fiber lasers

26、, invited paper, in Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (Optical Society of America, Washington, DC 2000), p. 598.2,A.B.Grudinin, et al, New generation of cladding pumped fiber laser and amplifiers, CLEO-Eurpe, Nice, France P. CWA3, 20003,S. U. Alam, J. Nilsson, J. A. Alvarez-Chavez, P. W. Turner, W. A. Clarkson, and A. B. Grudinin, Erbium-ytterbium co-doped cladding-pumped fiber