光纖激光器及其應用課件

光纖激光器及其應用

4/2/20231目錄引言光纖激光器基本結構及主要特點高功率光纖激光器及其研究進展高功率光纖激光器的應用展望4/2/20232

激光器問世不久，美國光學公司（Americanopticalcorporation）的Snitzer和Koester于１９６３年首先提出光纖激光器和放大器的構思。１９６６年高錕和Hockham提出了光纖通信的基本概念。１９７０年后光纖通信經歷研究開發(fā)階段（１９６６－１９７６），實用化階段（１９７７－１９８６）迅速進入１９８６年以后的大規(guī)模光纖通信建設階段。

一、引言4/2/20233

近年來，美國IPGPhotonics公司異軍突起，不僅展示Ｓ，Ｃ，ＬBands的各種光纖放大器，高功率的ＥＤＦＡ，Raman光纖激光器和雙波長Raman光纖激光器，更引起國際關注的是該公司已推出各種商用摻Yb高功率光纖激光器，最大功率達1萬瓦；單模輸出功率高達1000W,光束質量非常好，M2小于1.1。4/2/20235高功率光纖激光器具有光束質量好、壽命長、轉換效率高的優(yōu)點，其主要性能已明顯優(yōu)于半導體激光泵浦固體激光器和CO2激光器。從發(fā)展態(tài)勢看，光纖激光器不僅在光纖通信領域有重要的應用而且迅速地向其他更為廣闊的激光應用領域擴展，這是一類已經取得技術突破，正在向技術的廣度和深度迅速發(fā)展的、有重要應用前景的激光器。

4/2/20236二、光纖激光器基本結構及主要特點

諧振腔腔鏡可為反射鏡、光纖光柵或光纖環(huán)

諧振腔耦合光學系統(tǒng)工作物質(增益光纖)準直光學系統(tǒng)LD泵浦源光纖激光器的基本結構與固體激光器的結構基本相同，如下圖所示：4/2/20237光纖激光器的主要特點

（1）光纖作為導波介質，纖芯直徑小，纖內易形成高功率密度，可方便地與目前的光纖通信系統(tǒng)高效連接，構成的激光器具有高轉換效率、低閾值、高增益、輸出光束質量好和線寬窄等特點；（2）由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可設計得相當小巧靈活、結構緊湊、體積小、易于系統(tǒng)集成、性能價格比高；

4/2/20239（3）由于光纖具有很高的“表面積/體積”比，散熱效果非常好，所以光纖激光器可以工作在-20~70℃的環(huán)境溫度內，不需要龐大的水冷系統(tǒng)，只需簡單的風冷即可，且可在惡劣的環(huán)境下工作，如在高沖擊、高震動、高溫度、有灰塵的條件下正常運轉；（4）具有相當好的可調諧參數(shù)和選擇性，能獲得寬調諧范圍（380nm～3900nm）和相當好的單色性和高穩(wěn)定性，使用壽命長，平均無故障工作時間在10kh甚至100kh以；（5）采用特殊的器件結構可獲得高功率輸出或超短脈沖輸出。4/2/202310三、高功率光纖激光器及其研究進展光纖激光器不僅與固體、氣體、半導體激光器等相比，有非常明顯的優(yōu)越性，而且與二極管泵浦固體激光器相比，也有更好的光束質量，可得到更小的聚焦光斑。隨著光纖激光器應用的更加廣泛，對高功率光纖激光器的需要越來越大。為了獲得高功率輸出，關鍵之一是包層泵浦技術（Claddingpumpedtechnology）。4/2/202311

雙包層摻雜光纖由纖芯、內包層、外包層和保護層四個層次組成。內包層的作用：一是包繞纖芯，將激光輻射限制在纖芯內；二是將泵浦光耦合到內包層，使之在內包層和外包層之間來回反射，多次穿過單模纖芯被其吸收。在雙包層結構中，泵浦光的吸收率和內包層的幾何形狀和纖芯在包層結構中的位置有關。此外，泵浦光被摻雜稀土離子的吸收率正比于內包層和外包層的面積比。4/2/202313

美國IPG公司相繼推出輸出功率為700W、2KW和10KW的摻Yb雙包層高功率光纖激光器產品。為了提高光纖激光器的輸出功率，可采用多組寬帶區(qū)多模半導體二極管作為泵浦源，其基本結構如圖所示

4/2/2023144/2/202315IPG公司已經推出的部分產品4/2/202317IPG萬瓦級光纖激光器4/2/202318IPG公司高功率光纖激光器主要指標4/2/202319國內研究概況

（2）南開大學在研制出短脈沖光纖激光器的同時，大膽創(chuàng)新，率先研制出了雙包層光纖光柵，為雙包層光纖激光器的全光纖化研究，邁出了重要的一步。

（3）武漢烽火通信成功推出了完全達到商用水平的雙包層摻鐿光纖產品。據(jù)悉，通過上海光機所試用，其斜率效率達到66％以上，在選用合適的光纖長度和泵浦功率的條件下，可實現(xiàn)100W以上的激光功率輸出，達到國際先進水平。

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值得一提的是，近1-2年內，國內外掀起了光子晶體特別是光子晶體光纖的研究熱潮，由于其獨特的結構和導模機制使光子晶體光纖具有許多普通光纖所不具備的優(yōu)越特性。根據(jù)不同的特性，有望研制出各種光子晶體功能器件，比如光子晶體光纖光柵、光子晶體衰減器、激光器和放大器等等。目前國外有多家公司有晶體光纖產品，比如丹麥晶體光纖公司推出了“雙包層高數(shù)值孔徑摻鐿晶體光纖”，這種光纖可以用在光纖激光器或光纖放大器中，另外由于該光纖具有光敏性，還可以在其上刻寫光纖光柵。晶體光纖應用于光纖激光器中4/2/202322該公司DC-420-23-Yb型雙包層高數(shù)值孔徑摻鐿晶體光纖NearFieldofcoreat1310nm

NearFieldofcladding

FiberStructure4/2/202323四、光纖激光器的應用高功率摻鐿光纖激光器（HPFL）與目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半導體泵浦YAG激光器相比，表現(xiàn)出突出的優(yōu)點，特別是電光轉換效率高，光束質量好，泵浦源壽命長，使用方便，環(huán)境適應能力強，空氣冷卻等優(yōu)點，使它在激光應用技術領域中呈現(xiàn)出美好的應用前景。4/2/202325表1幾類激光器性能的比較4/2/202326高功率材料加工4/2/202329經過實驗，發(fā)現(xiàn)高功率光纖激光器與燈泵和半導體泵浦的YAG激光器相比，具有以下優(yōu)點：4/2/202330激光打標包括半導體芯片/晶元片/集成電路/電子器件，醫(yī)療器件，手機/計算機鍵盤，儀器面板/按鍵，服裝鈕扣，香煙/食品包裝等。CO2和YAG激光器：體積大；高功耗；短壽命；高維護費用；使用不方便。摻鐿光纖激光器：體積小；低功耗；長壽命；低成本，免維護；光束質量好，工作面處功率密度高；光纖傳輸?shù)焦ぷ髅?，使用方便?/2/202331深圳大族激光YLP-10光纖激光打標機4/2/202332YLP-10光纖激光打標機技術參數(shù)4/2/202333在線打標4/2/202334激光雕刻精密電子元器件4/2/202335精密金屬標刻

4/2/202336醫(yī)療器械精密切割在醫(yī)用儀器中，實用化的典型例子有擴張器、內窺鏡和導管等的加工。所謂擴張器，就是治療閉塞性疾病的器具的總稱。例如冠狀動脈血管用的擴張器。此外，還有膽管、食道、氣管、前列腺用的擴張器等。利用擴張器治療疾病源于美國。目前，我國沒掌握心血管支架（coronarystent）的加工技術，進口支架價格昂貴，一個進口支架的價格就將近2萬元，整個手術的費用高達10多萬元，國內很多患者不能得到治療。據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計，我國需要接受心血管手術的病人已達400萬人，但全國每年的手術量尚不足4萬例。4/2/202337一般地，支架尺寸非常小，比如血管支架的主要參數(shù)為：直徑0.8-2mm、壁厚0.08-0.4mm、網(wǎng)線寬度0.05-0.07mm，切割加工精密+/-5μm。這就要求激光器必須有非常好的光束質量（M2接近于1），以及非常小的聚焦光斑直徑（小于15μm）。另外，還要求激光器的穩(wěn)定性好。所有這些，都只有光纖激光器才能達到要求，比如用YAG激光器切割出來的支架，表面有毛刺現(xiàn)象，而且熱影響區(qū)大，影響了支架的彈性。4/2/2023384/2/202339心臟支架的切割及其應用4/2/2023404/2/202341六、展望光纖激光器的優(yōu)良性能，決定了它比半導體激光器和大型激光器擁有更多的優(yōu)勢，其應用范圍越來越廣闊，為滿足快速增長的巨大的市場需求，美國、西歐、日本和我國都已紛紛加大了光纖激光器的研發(fā)力度。在目前，國外已有較成熟的產品，如IPG公司的系列產品，并已開始進入我國市場，而國內至今尚無正式產品面市。當務之急，一方面著力開展光纖激光器的應用，尋找最適用的應用領域和市場；一方面著手加快國內光纖激光器的研發(fā)，已有研發(fā)基礎的單位應加快與企業(yè)合作，根據(jù)市場需要推出國內首批產品。4/2/202342

關于光纖激光器的研發(fā)，應從應用過程中加深對器件的了解和認識，根據(jù)使用反饋，不斷改進和完善器件的結構和性能。為進一步推廣光纖激光器的應用關鍵在于不斷降低產品成本。開始時應用的著眼點可放在高檔次產品上，在發(fā)展光纖激光器產品的過程中可能推動高功率半導體二極管產業(yè)的發(fā)展。為促進光纖激光器的進一步發(fā)展，