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光纖激光器

光纖激光器的特點

星之球激光 來源:光電社區(qū)2012-02-01 我要評論(0 )   

與傳統(tǒng)的固體激光器相比,光纖激光器體積小,壽命長,易于系統(tǒng)集成,在高溫高壓,高震動,高沖擊的惡劣環(huán)境中皆可正常運轉(zhuǎn),其輸出光譜具有更高的可調(diào)諧性和選擇性。 1...

與傳統(tǒng)的固體激光器相比,光纖激光器體積小,壽命長,易于系統(tǒng)集成,在高溫高壓,高震動,高沖擊的惡劣環(huán)境中皆可正常運轉(zhuǎn),其輸出光譜具有更高的可調(diào)諧性和選擇性。
1) 增益介質(zhì)的表面積/體積比大
光纖激光器采用光纖做增益介質(zhì),具有很大的表面積/體積比,這使其具有非常好的散熱性能,因此,即使非常高功率的光纖激光器,增益介質(zhì)也不會受到熱損害,一般無需對增益介質(zhì)采取特別的散熱措施,而其他種類的激光器,增益介質(zhì)的散熱問題是需要重點考慮的,因此,該特點是光纖激光器所獨有的。
2) 優(yōu)異的雙波導(dǎo)限制機制
高功率光纖激光器采用雙包層有源光纖,這種雙包層光纖是一種雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu),高功率的多模泵浦光被限制在直徑較大的內(nèi)包層中傳輸,為采用高功率廉價的多模泵浦光提供了條件,信號激光在直徑很小的具有圓對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的纖芯中產(chǎn)生和傳輸,在小芯徑纖芯波導(dǎo)的限制下,信號激光可獲得理想的光束質(zhì)量和極小的出光光斑直徑,這是光纖激光器獨具吸引力的重要特點,在高功率激光器中,目前還沒有一種激光器能夠超越。優(yōu)異的光束質(zhì)量和極小的出光光斑直徑在激光應(yīng)用中具有非常重要的意義,可使后續(xù)應(yīng)用設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)更簡單,體積更小,工作距離更長,激光聚焦光斑更小,工作效率更高,加工深度更深,加工質(zhì)量更好等等。
3) 固有的全封閉柔性光路
光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成,光纖和光纖元件之間采用光纖熔接技術(shù)連接,整個光路完全封閉在光纖波導(dǎo)中。這種天然的全封閉性光路一旦形成,無需另加隔離措施即可自成體系,實現(xiàn)與外界環(huán)境的隔離。由于光纖細(xì)小并具有很好的柔性,光路可盤繞和沿細(xì)小的管道穿行,因此,光纖激光器能夠在比較惡劣的環(huán)境下工作,輸出光可穿過狹小的縫隙或沿細(xì)小的管道進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。這些特點在工業(yè)應(yīng)用中優(yōu)勢巨大,激光器不但能適應(yīng)比較惡劣的工作環(huán)境,而且可使激光器遠(yuǎn)離出光點,可將激光引入到以前很難到達(dá)的地方,可非常容易移動和改變出光點,實現(xiàn)多加工點共用一臺激光器,可使激光加工設(shè)備的設(shè)計具有更高的靈活性等等。
4) 光路具有免維護(hù)特性
如前所述,光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成,光纖和光纖元件之間采用光纖熔接技術(shù)連接,因此,光路一旦完成,即形成一個整體,實踐證明,這樣形成的連接結(jié)構(gòu)和連接參數(shù)將長期保持穩(wěn)定,如果光纖和光纖元件本身能有長期穩(wěn)定性,整個光路將長期穩(wěn)定,無需維護(hù)。需要特別指出的是,這種免維護(hù)的特性并非不可維護(hù)和維修,在需要的情況下,整個光路的維護(hù)和維修同樣可以進(jìn)行,因此,與氣體和固體等激光器需要頻繁的維護(hù)和維修相比,光纖激光器光路的免維護(hù)特性異常優(yōu)異,而與半導(dǎo)體激光器的不可維修性相比,光纖激光器的可維護(hù)性和可維修性又表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。
5) 單條寬發(fā)光區(qū)長壽命多模泵浦激光器
光纖激光器的光路具有長期的穩(wěn)定性,因此,需要與之匹配的長壽命泵浦激光器才能獲得整機的長壽命。發(fā)展低價格的長壽命多模泵浦激光器是發(fā)展長壽命光纖激光器的重點。單條寬發(fā)光區(qū)多模泵浦激光器就是根據(jù)這一理念而設(shè)計的一種長壽命半導(dǎo)體泵浦激光器,其條寬一般取100mm,基本上已接近105/125多模光纖的纖芯直徑,其有源區(qū)條寬是列陣半導(dǎo)體激光器的幾十倍,對單一發(fā)光條來說,同樣輸出功率和同樣注入電流情況下,其光功率密度和電流密度將降低幾十倍,有源區(qū)溫度也會有所降低,在忽略其他因素的前提下,單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器降低失效率的作用是異常顯著的。目前尾纖輸出功率大于5W的單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器的平均無故障工作時間已經(jīng)達(dá)到50萬小時以上。
6) 壽命長
從前面的討論我們已經(jīng)知道,采用單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器作為光纖激光器的泵浦源,光纖激光器將具備長壽命的特點,因此,制作具有幾十萬小時的長壽命光纖激光器在技術(shù)上已經(jīng)可行。
7) 體積小重量輕
光纖激光器由于光路可盤繞,光路占用空間較小,在采用單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器做泵浦源的情況下,泵浦激光器可分散安裝,具有很好的散熱特性,在安裝密度不高的情況下,采用風(fēng)冷即可,在安裝密度較高的情況下,只需少量通水即可滿足散熱要求,因此,光纖激光器的體積比同樣輸出功率的氣體和固體激光器系統(tǒng)更小,重量更輕。
8) 輸出功率大
光纖激光器輸出功率在突破100W以后,輸出功率水平飛速增長,只用了三年多時間,達(dá)到的輸出功率水平已經(jīng)超過了YAG固體激光器和CO2氣體激光器用三十多年達(dá)到的輸出功率水平,目前光纖激光器的實驗室水平已經(jīng)超過10萬瓦,3萬瓦的光纖已經(jīng)商品化,已經(jīng)銷售的光纖激光器,輸出功率為17000W??梢灶A(yù)見,光纖激光器將成為長時間連續(xù)輸出功率最大的激光器。
9) 節(jié)水節(jié)電節(jié)成本
光纖激光器具有優(yōu)異的熱性能,電光效率較高,節(jié)水節(jié)電,尤其重要的是可長期免維護(hù)使用,可節(jié)約大量維護(hù)經(jīng)費和時間,提高工作效率。
10) 造價不斷降低
光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成,由于原料易得,在技術(shù)、產(chǎn)品和市場成熟之后,可大幅度降低成本。除光路部分外,半導(dǎo)體泵浦激光器是構(gòu)成光纖激光器成本的主要部分,從光通信的發(fā)展歷史和經(jīng)驗來看,隨著技術(shù)的發(fā)展和市場容量的不斷擴(kuò)大,大幅度降低半導(dǎo)體泵浦激光器的成本將成為必然趨勢。
光纖激光器的類型 按照光纖材料的種類,光纖激光器可分成一下幾種類型:
一:晶體光纖激光器 工作物質(zhì)是激光晶體光纖,主要有紅寶石單晶光纖激光器和nd3+:YAG單晶光纖激光器等;
二:非線性光學(xué)型光纖激光器 主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器;
三:稀土類摻雜光纖激光器 光纖的基質(zhì)材料是玻璃,向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活,而制成光纖激光器;
四:塑料光纖激光器 向塑料光纖芯部或包層內(nèi)摻入激光染料而制成光纖激光器。
光纖激光器的迅速發(fā)展是基于近年來的光纖技術(shù){拉晶體光纖技術(shù)、稀土摻雜光纖技術(shù)、單摸低損耗光纖和光纖耦合技術(shù)等}和大功率半導(dǎo)體激光技術(shù)的突破性進(jìn)展。特別是采用半導(dǎo)體激光二極管(ld)作為泵浦源,以其小體積和高效率為光纖激光器的實用化奠定了基礎(chǔ)。
目前,光纖激光器已進(jìn)入實用化階段,已見有連續(xù)輸出功率幾千瓦,峰值功率幾萬千瓦。
 

 

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