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高功率連續光纖激光器技術發展概述

返回列表 來源:未知 發布日期:2019-10-16 10:56【

0 引 言

光纖激光器被認為是第三代激光器,其與傳統 的紅寶石激光器及 YAG(釔鋁石榴石)激光器相比 具有良好的光束質量、單色性與穩定性,并且還具有 電光轉化效率高、維護成本低、結構簡單、體積小、重 量輕及占地面積小等優點。近年來千瓦級、萬瓦級 高功率光纖激光器的興起,極大地拓寬了光纖激光 器應用領域。在工業加工方面,數百瓦高功率光纖 激光器廣泛用于五金、眼鏡、衛浴及廣告字焊接,數 千瓦高功率光纖激光器在金屬切割、熔覆等方面優

1 高功率光纖激光器的發展歷程

1960年,世界上出現了第1臺真正意義上的激 光器,系紅寶石激光器。次年,E.Snitzer研制 出 第1臺摻釹(Nd3+ )光纖激光器。一年后,H.W. Etzel等人成功研制出第1臺摻鐿離子(Yb3+ )的光 纖激 光 器,即 目 前 最 常 見 的 1μm 波 長 (1.064 μm/1.080μm)光纖激光器。但由于光纖的損耗較 高,導致能量無法長距離傳輸,因此在此后的很長一段時間內,光纖激光器的發展陷入了低谷。直到20 世紀70年代初,康寧公司根據高錕等人提出的理論 研制出損耗4dB/km 的光纖,使得1.55μm 波長摻 鉺(Er3+ )光纖 激 光 器 迎 來 了 發 展,但 由 于 Er的量 子虧損較大,導致其無法實現高功率輸出。綜上,早 年光纖激光器的功率較低,大多在瓦級甚至毫瓦級 以下,以1.55μm 通信波段摻鉺光纖激光器較為著 名,其主要用于光纖放大器,1.08μm 波段的光纖激 光器主要用于微電子及激光打標等。

1.2 近30年的發展歷程

1.2.1 國外發展情況

1993年,HongPo等人研制出摻釹雙包層光纖 激光 器。2002 年,J.Limpert 等 人 研 制 出 鉺 鐿 (Er3+/Yb3+ )共摻的雙包層光纖激光器,實現了150 W 的單模連續激光功率輸出,大大推動了高功率摻 鐿光纖激光器的開發。2009年,光纖激光器的全球 領跑者IPG 公司基于同帶泵浦技術使用1.018μm 的激 光 作 為 泵 浦 光,首 次 實 現 了 單 纖 單 模 輸 出 10 kW,光束 質 量 因 子 M2 <1.31。2012年,IPG 公 司的單纖單模功率達到了20kW。截至2019年 1月,IPG 公司 的 光 纖 激 光 器 最 高 輸 出 水 平 為 單 模 20kW 與多模500kW。圖1示出了國外光纖激光 器單纖單模激光功率P 的提升情況,可以看出從 1997年至2012年,光 纖激光器的單纖單模輸出功 率水平的提升大致為2.0dB/a,約合1.58倍/a。


2 高功率光纖激光器的技術演進

光纖激光器功率水平的提升主要借助于三方面 的技術發展:a.光纖激光器結構的優化,使其可在降 低系統溫升的情況下提高輸出功率;b.有源光纖、泵 浦源、合束器等光纖激光器核心器件的功率水平的 提升,為激光器高功率輸出提供了硬件保障;c.光纖 處理設備的升級,包括大芯徑光纖切割刀、熔接機、 再涂覆機等性能的提升,使得光纖熔接點的損耗、發 熱大幅降低,從而對提升激光器的損傷閾值有極大 的益處。

3 高功率光纖激光器技術發展瓶頸

雖然高功率光纖激光器相關技術有了快速的發展,但如果希望獲得更高的功率輸出則目前仍然存 在諸多技術瓶頸。相關研究表明,基于大模場摻鐿 石英光纖和二極管激光器泵浦的光纖激光器在理想 的情 況 下 最 高 可 實 現 單 纖 單 模 輸 出 功 率 為 36.6kW,但目前報道的光纖激光器輸出功率遠 低于此。經研究,光纖激光器輸出功率的受限因素 主要包括泵浦功 率、受 激 拉 曼 散 射(SRS)以及 熱 透 鏡效應。

4 總 結

2017年,全 球 光 纖 激 光 器 市 場 為 20.39 億 美 元,預計2021年將 增 至28.85億美 元。從IPG 公 司的銷售數據來看,其高功率光纖激光器銷售額將 達8.67億美元,約占其光纖激光器銷售額的71%, 且增速接近50%。由此,可以預計未來高功率光 纖激光器仍然是光纖激光器市場的主力軍,提升光 纖激光器的輸出功率是占據未來市場必要條件。

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