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光学课程论文

题目：

高功率光纤激光器的应用与展望

----参考《高功率光纤激光器的应用与展望》

学生姓名付盼

学号2011112139

院系物理学系

专业光信息科学与技术

年级2011级

高功率光纤激光器的应用与展望

摘要：

光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最炙手可热的研究课题，尤其是大功率光纤激光器，已在很多领域表现出取代传统固体激光器和c02激光器的趋势。

本文从光纤激光器的结构出发，详细论述了大功率光纤激光器的工作原理和关键技术，重点介绍了应用更为广泛的脉冲型光纤激光器技术，最后简单列举了大功率光纤激光器的优势及其在工业加工、国防、医疗等领域里的应用情况并对其未来发展前景进行了展望。

关键词：

光纤激光器；包层泵浦技术；双包层掺杂光纤；光纤光栅；应用

ApplicationandForecastofHighPowerFiberLasers

Abstract：

Thetechnologyoffiberlasersisoneofresearchfocusestopicsincurrentoptoelectmniearea，especiallyforahigh-powerfiberopticlaserthathasexhibitedatendencysubstitutingtraditionalsolidstatelaserandCO2laserinmanyanjas．Wefullyexpounditsprinciplesandsonickeytechnologiesfromitsstructure，emphasizethetechnologyofapulsefiberopticlaserthatismorewidelyapplied，andenumerateitssuperioritiesandapplicationsinsuchaindustrialprocessing，nationaldefense，medicalservice，etc．

Keywords：

fiberopticlaser；claddingpump；doublecladrare—earthdopedfd~er；fiberBragggrating；application.

引言（Introduction）

介绍与展望

光纤激光器的历史和激光器本身的历史几乎一样长。

但是由于增益光纤和泵浦光源等技术上的限制，商用光纤激光器直到20世纪末才出现。

20世纪70年代以来，随着光纤制备技术以及谐振腔结构的改进，光纤激光器有了很大的发展，特别是80年代中期英国南安普顿掺Er3+光纤的突破，光纤激光器的实用化成为可能，并显示出十分诱人的应用前景，受到人们的广泛重视。

90年代开始出现了双包层掺杂光纤激光器的研究。

20世纪末宝利来公司的研究人员采用包层泵浦技术，在实验室获得了100W的激光输出，使得光纤激光器的实用化进入实际阶段。

2001年，SDL公司推出了第l台商用的拉曼光纤激光器，采用Yb包层泵浦激光器泵浦光栅式级联拉曼激光器的结构，根据这种结构可方便地设计出适合输出1．30岫、1．45岬的谐振腔结构。

IPG光子公司采用类似的结构实现了l200～l600nm波段町选择任意波长的激光输出，输出功率达到了lOW。

DMNovE．M．等人用掺有P205的光纤实现l240nm、l480nm处的激光输出。

2003年6月，美国IPG公司在德国激光展演示了一台1.1微米，连续输出10kW的光纤激光器引起了业内的震撼!

日前光纤激光器研究与开发主要集中在大功率双包层光纤激光器技术上。

用双包层光纤实现大功率激光输出技术最初于1988年提出。

高功率双包层光纤激光器呈现出以下发展趋势：

（1）单根光纤输出功率从百瓦级向千瓦级发展，目前单根光纤激光仅在实验室实现了千瓦级功率输出，并且不是单横模；

（2）从高功率连续光纤激光向高功率脉冲光纤激光器发展，从应用目标出发时，连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低，脉冲工作的光纤激光将会更为有用；（3）从常规的光纤激光组束技术向相干组束技术发展。

高功率光纤激光器将半导体激光器泵浦技术和双包层光纤掺杂制造技术有机结合起来,吸收两者优势,将高功率、低亮度、廉价的多模LD光通过泵浦双包层纤结构,实现高亮度、衍射受限的单模激光输出,大大提高了耦合及转换效率,增加了输出激光功率。

它以散热性能好、转换效率高、激光阈值低、可调谐范围宽、光束质量好、免维护等显著优势,受到各国科技工作者的重视。

本文简要介绍高功率光纤激光器的工作机理及应用,并展望了其发展前景。

一．双包层光纤（DCF）

双包层光纤（DCF）是高功率光纤激光器的关键部件，其结构如图l所示。

双包层光纤的基本结构包括直径为lO～100扯m的掺杂纤芯，以及直径125～l000微米、数值孔径约为0．45的内包层。

设计双包层光纤取决于要求的功率和光束质量。

多模泵浦光被耦合进内包层，在其内传输2～8m，并不断被掺杂纤芯吸收。

双包层光纤可以通过两端同时泵浦来提高可用泵浦功率。

激光谐振腔由外部光学系统或用紫外激光在光纤芯层写入光纤布拉格光栅（FBG）构成。

纤芯可以掺杂多种不同稀士元素，对应小同的激射波长。

镱元素是可选掺杂物，因为它有宽吸收带和最高光能量转换效率为80％。

1．1光纤功率限制因素

由于很多因素限制，目前单模光纤激光器光功率限制在1kW左右，这些限制光纤功率的因素主要有：

（1）光学非线性效应，包括受激布里渊散射，受激拉曼散射和自相位调制；

（2）放大自发辐射，它和激射波长竞争存贮能最，限制最大粒子数反转和最终出射能量：

（3）光纤的热破裂极限大约为100Wcm～。

在不超过热破裂极限时，如果一在段10m长光纤上能量消耗为15Wm～，一个1kW光纤激光器会消耗<15％的泵浦吸收能量，或者说每千瓦消耗150w的热量；

（4）在l060m处如果最大功率大于lMw，10um芯径的掺镱光纤中脉冲激发的块损坏阈值大于60GW锄之，连续和表面损坏阈值相当低约为1w咖～。

脉冲长度小于100ns时，自聚焦阈值约为4Mw，必须考虑。

增加模场直径、加大基模增益、插入空间滤波器、增加高阶模损耗、减少光纤长度、采用光子晶体或多孔光纤等都可以增加光纤最大输出功率，使单根光纤功率达到2kW。

但获得高功率激光的最有效方法还是利用多束光纤组合输出。

IPG公司将多束250～400W瞥模光纤合束，获得输出为10kW的高功率光纤激光系统。

简单的光纤合束固然可以获得高功率输出，但是输出光束是多模的，在一些应用场合效果并不是很好。

1．2光纤寿命

虽然双包层光纤在1kw量级时是易于处理的，但仍有很多问题影响双包层光纤的可靠性和寿命。

例如，由于氟化聚合物包层的受损引起泵浦光衰减。

氟化聚合物包层既作为泵浦波导又用为光纤的保护膜。

其破坏机理如下：

水和玻璃表面作用引起表面形成氢氧根群，在945PAI处其吸收也随之增加。

通过控制相对湿度保持光纤温度低于40。

C时，在lO年内损耗可以小于5％,这个温度要求在泵浦功率达到约3kW时，光纤要水制冷，而在多根光纤打捆时只需窄气制冷即可。

又如，掺锗和掺铥光纤置于高功率脉冲激光器中，由于多光子效应会引起明显变黑。

而掺镱光纤置于大于60GW（1060处脉冲）的激光中时，在5天内光纤的吸收不会产生变化.

二．高功率泵浦激光二极管

高功率泵浦激光二极管有3种类型：

（1）单管芯激光二极管激光二极管芯片发光面尺寸约1pm×500斗m，输出光功率可以达到5W，一半采用TO封装，利用半导体冷器（TEC）制冷。

目前单管激光二极管售价为70～100美元／W。

（2）条状激光二极管阵列由50个左右的单管芯片（间隔约150pm宽）组成激光条，每个激光条可以输出大于60w的功率。

激光条置于空气制冷或水制冷的热沉上。

售价也是为70～100美元／W。

（3）叠层状激光二极管阵列通过堆叠约20个激光条构成。

可输出高达l200w的连续激光。

在这种结构中散热是主要问题，一般采用微通道制冷设计，使水在层叠的激光条之间的微小通道中流动，如图2所示。

在设计岛功率光纤激光器时，泵浦激光二极管和光纤一样重要。

最初的设计要求采用单横模激光二极管。

但是现在双包层光纤的出现已经改变了这一要求。

激光二极管的电光转换效率已经提高到接近50％，激光条叠层的功率量级也超过lkw。

为制备具有竞争力的1kw量级的光纤激光器，需要有可提供图2微通道制冷器（20～100pm）2．5～3kw的功率的费用低廉的泵浦。

除了激光条叠层器件很难有其他器件可提供这样量级的激光功率。

而且，为与现存Nd：

YAG和CO．激光器竞争，激光二极管价格必

须降至每瓦50美元以下，并在不远的将来接近每瓦12美元。

这样的价格在激光二极管规模生产时是可以实现的。

有很多生产商如LIMO，美国的nLi，德国DiLAS和Trumpf等可以提供输出功率达1．2kw的激光二极管，寿命为10000h。

到2008年，激光二极管输出功率量级可达二三千瓦同时寿命可达20000h。

图2微通道制冷器（20～100pm）

结果和讨论（ResultandDiscussion）

三．泵浦激光耦合

二极管激光条／激光条叠层到双包层光纤的耦合是增加光纤激光器输出功率和降低激光器成本的关键之一。

通常，通过改善激光二极管的光束质量或者通过光束转换可以提高耦合效率。

光束质量是光束能够会聚的紧凑程度的度量。

有多种参数描述这种会聚特性，最常用的是光束参数积引甲，它定义为光束束腰半径，

即w，和光束远场发散角半角口．的积。

在无像差的光学系统中，任何光束的这个量足个定值。

根据双包层光纤的内包层参数要求，二极管激光条／激光条叠层输出光应聚焦成直径为400～1000um、数值孔径NA约0．45的光束。

这要求二极管激光器的BPP=100～259mm删md。

SPI宣布将已制成的400W输出功率耦合到直径为400um的双包层光纤。

如果泵浦发射功率达到2．5kw，它可以耦合到直径为lmm的双包层光纤，相应光纤激光器的输出功率约为lkw。

英国南安普敦大学光电子学研究中心于2004年6月也报道了一个掺镱大芯径（43微米）的8m长的在l090IlIIl处连续输出1．Olkw的光纤激光器。

四．光纤激光器相干合束

对不相干光源而言，总功率强度是由单个光源功率强度乘以光源个数和填充因子F，也就是说，所有单个光源功率之和乘以填充因子。

在同相位相下光源的情况下，总功率强度则是各振幅相加然后平方，和不相干光源的情况相比，聚焦的模场半径减小了因子M，而其他参数相同。

要实现相干合束并不容易。

因为单个光源的相位必须被动态地监控和调节。

美国诺斯罗普·格鲁曼（NOC）公司为军队设计了一个相干合束光纤激光器系统的原型，如图6所示，这里价格相对于性能是排在其后的。

这个系统基于由美国Nufem公司生产的掺镱大模场面积偏正保持光纤，每个臂的斜度效率为77％，输出功率达150w。

每个臂的相位通过铌酸锂波导相位调整器控制。

原则上系统可以升级到足够高的功率从而取代化学激光器作军事应用——导弹防护，目标照明和袭击地面目标。

然而这种结构不太可能用于商用系统，因为它复杂而且费用昂贵，但是它对光纤激光器和激光二极管相干阵列器件技术的发展是一个很好的驱动，是它们可以借鉴的技术储备源。

五．光纤激光器设计

工业激光器可分为摹本两类：

连续和脉冲。

脉冲激光器在钻孔和切割时在减少热损坏一热影响区（如Z）一（当脉冲宽度与材料中热扩散时间相比很小时，人部分热量会消散）上很有用。

在敲击切割时它是材料的切除刀。

而对于光纤激光器，光纤可作为一个由连续或脉冲也即准连续（Qcw）激光二极管泵浦的激光振荡

器或放大器。

在准连续（QCw）时，町达毫秒量级的泵浦脉冲宽度，无须采用振荡器，放大器结构。

5．1连续（cw），长脉冲卜lms）光纤激光器

如图3所示，连续光纤激光器的设计相对比较简单，它可由不同厂商提供的现存元件装配制作，输出功率至少可以达到lO～20w。

二极管泵浦组件可以由单发射器、激光条甚至是叠层器件，它被熔接到光纤激光器组件集合。

光到光的转换效率达到80％，是激光二极管泵浦棒设计的转换效率的两倍多，而且可以升级至lkW。

为达到脉冲工作，连续泵浦激光二极管由脉冲激光二极管取代，或者由和连续二极管激光器平均功率相同，但是可以产生峰值功率2～4倍于平均连续功率，脉宽小于1ms的准连续（QCw）激光二极管取代（SPI供应一种平均功率loow的器件，其峰值功率为400W，占空因子为25％）。

5．2脉冲光纤激光器——种子激光振荡放大OuoPA）网

为满足大多数军事和宇航应用，需要纳米量级（10～100ns）的短脉冲，必须用光纤作为放大器连到主谐振腔上。

谐振腔被直接调制或基于声光器件进行Q．开关调制，以保证在脉冲重复频率20～50kHz的1～500ns的脉冲中有约1～l00mJ的脉冲能量，这样可得高达100W的平均功率。

脉冲激光器设计比连续激光器复杂得多，费用也高得多。

六．应用

高功率光纤激光器可能的应用包括：

激光焊接（小于lmm的窄区）、热处理、激光烧结、覆层塑料热合（焊接）、软焊涂料剥除、连续缝焊激光成型、环氧固化自由形态加工、点焊医学应用、激光极管泵浦应用激光照明以及表面溶解混合成型等。

最可能的应用是在大尺寸制造领域，目前还没有发挥很大的作用。

其中一些领域被看作是有发展潜力的领域，包括：

汽车、采暖通风与空调（HvAC）、导管制造业、大型金属结构等。

光纤激光器有多种军事应用。

例如用于目标捕获的激光指示器（单脉冲能量大于loomJ）、激光测距仪（单脉冲能量大于loomJ，脉宽小于lOns）以及功率大于100kW（目标是1Mw）的激光武器。

得到美国国防部高级研究计划署（DARPA）资助的美国诺斯罗普·格鲁曼（NOC）公司以及SPI和IPG公司利用多光束相干合束技术研究高功率光纤激光器，为机载和舰载应用开发高于lookW的光纤激光武器。

七．结论

过去lO年光纤激光技术在输出功率、光束质量和亮度等方面取得了巨大进步。

因为光纤激光器的高效率会进一步降低电功率需求（有可能减小l／2），在工业制造方面有进一步突破，而这些新的制造技术会引发更多的目前尚未实现或等待开发的新设计和加工方法。

高功率光纤激光器最终将会成为制造业的主流设备之一。

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