全光纖激光器發(fā)展?fàn)顩r簡介

1、全光纖激光器發(fā)展?fàn)顩r簡介摘要：本文介紹了大功率全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，論述了全 光纖激光器研制的關(guān)鍵技術(shù)，給出了研究結(jié)果，討論了光纖激光器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的 方向，并對(duì)我國光纖激光器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：全光纖激光器，包層泵浦耦合，光纖光柵，長壽命，大功率，產(chǎn)業(yè)化1引言新世紀(jì)開始后，大功率光纖激光器的飛速發(fā)展令人振奮， 不但譜寫了激光技 術(shù)發(fā)展的新篇章，為激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力，而且將開辟激光應(yīng)用的新 時(shí)代。在世界范圍內(nèi)，光纖激光器的技術(shù)方案已經(jīng)表現(xiàn)出全光纖結(jié)構(gòu)的明顯趨向， 這種光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成的全光纖激光器，從激光的產(chǎn)生到激光的傳 輸，全部在柔軟的光纖中進(jìn)

2、行，從而表現(xiàn)出了眾多顯著的優(yōu)越性。北京光電技術(shù)研究所研制的30W中模連續(xù)全光纖激光器代表了我國目前全 光纖激光器的最好水平，該全光纖激光器的研制成功，標(biāo)志著我國光纖激光器產(chǎn) 業(yè)化技術(shù)的一次重大突破。全光纖激光器是光纖激光器實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的最佳途徑，也是目前唯一進(jìn)入商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方案。發(fā)展全光纖激光器涉及雙色層光纖、包層泵浦耦合、 光纖光柵、大功率多模泵浦半導(dǎo)體激光器和光纖激光器整機(jī)5大關(guān)鍵技術(shù)，這5大關(guān)鍵技術(shù)中有4大關(guān)鍵技術(shù)與光纖技術(shù)密切相關(guān)。2全光纖激光器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)2.1 全光纖激光器的典型光路結(jié)構(gòu)和光纖功率合成技術(shù)圖1A是一種典型的單端泵浦連續(xù)單模大功率全光纖激光器的光路示意

3、圖。 單端泵浦結(jié)構(gòu)簡單，但有源區(qū)增益呈指數(shù)衰減，分布極不均勻，適合功率不是非 常高的情況。iUA占鑼三寸甲追大上金工匕對(duì)出比翼;rWH.t B圖1B為典型的雙向泵浦連續(xù)單模大功率全光纖激光器的示意圖。雙向泵浦結(jié)構(gòu) 相對(duì)復(fù)雜，但有源區(qū)增益分布均勻性得到改善，可實(shí)現(xiàn)更高功率輸出。目前全光纖激光器單模連續(xù)輸出功率已經(jīng)達(dá)到 2000W圖2為采用光纖功率合成技術(shù)制作多模光纖激光器的光路示意圖，采用這種 技術(shù)，可將多個(gè)單模連續(xù)光纖激光器的輸出功率合成起來，獲得數(shù)萬瓦或更高的 光功率輸出并且光束質(zhì)量良好。人們正在發(fā)展的相干合成技術(shù)，有望采用這種方式實(shí)現(xiàn)光纖激光器的相干合 成，實(shí)現(xiàn)光纖激光器萬瓦量級(jí)的單模連續(xù)

4、輸出。2.2 特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)全光纖激光器具有許多顯著特點(diǎn)，這使其在眾多方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)：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(huì)受到 熱損害，一般無需對(duì)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(diǎn)考慮的，因此，該特點(diǎn)是光纖激光器所獨(dú)有的。2）優(yōu)異的雙波導(dǎo)限制機(jī)制高功率全光纖激光器采用雙色層有源光纖，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(jià) 的多模泵浦光提供了條件，信號(hào)激光在

5、直徑很小的具有圓對(duì)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(hào)激光可獲得理想的光束質(zhì)量和極小的出光光斑直徑， 這是全光纖激光器獨(dú)具吸引力的重要特點(diǎn)， 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全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(gè)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

6、加隔離措施即可自成體系， 實(shí)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， 全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(diǎn)在工業(yè)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)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(diǎn)， 可將激光引入到以前很難到達(dá)的地方， 可非常容易移動(dòng)和改變出光點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)多加工點(diǎn)共用一臺(tái)激光器， 可使激光加工設(shè)備的設(shè)計(jì)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， 全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

7、成一個(gè)整體，實(shí)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(gè)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(gè)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， 全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， 全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(shì)。5）單條寬發(fā)光區(qū)長壽命多模泵浦激光器全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(jī)的長壽命。 發(fā)展低價(jià)格的長壽命多模泵浦激光器

8、是發(fā)展長壽命光纖激光器的重點(diǎn)。 研究表明， 半導(dǎo)體激光器的失效率與有源區(qū)光功率密度的m次方成正比，m的取值范圍在23之間；與有源區(qū)電流密度的n次方成正比，n 的取值范圍在36之間；與有源區(qū)的溫度呈指數(shù)依賴關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：其中F為失效率，I為有源區(qū)的光功率密度，J為有源區(qū)的電流密度，EA為激 活能，取值在0.40.7之間，KB為波爾茲曼常數(shù)，T為有源區(qū)溫度?？梢?，降低有源區(qū)光功率密度、電流密度和有源區(qū)工作溫度對(duì)降低失效率有顯著 意義。單條寬發(fā)光區(qū)多模泵浦激光器就是根據(jù)這一原理而設(shè)計(jì)的一種長壽命半導(dǎo) 體泵浦激光器，具條寬一般取100mm基本上已接近105/125多模光纖的纖芯直 徑，具有源

9、區(qū)條寬是列陣半導(dǎo)體激光器的幾十倍， 對(duì)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(huì)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勺單條寬發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體泵浦激光器的平均無故障工作時(shí)間已經(jīng)達(dá)到 50萬小時(shí)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，全光纖激光器將具備長壽命的特點(diǎn)， 因此，制作具有幾十萬小 時(shí)的長壽命光纖激光器在技術(shù)上已經(jīng)可行。7）體積小重量輕全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

10、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，全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100根后，輸出功率水平飛速增長，只用了三 年多時(shí)間，達(dá)到的輸出功率水平已經(jīng)超過了 YAG3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(shí)驗(yàn)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。 可以預(yù)見，光纖激光器將成為

11、長時(shí)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(fèi)和時(shí)間，提高工作效率。10）造價(jià)不斷降低全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(chǎng)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(yàn)來看， 隨著技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)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(shì)。3 5 大關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)3.1 特種光纖技術(shù)全光纖激光器需要使用雙包層有源光纖、 雙包層光敏光纖、 能量

12、傳輸光纖等多種特種光纖，隨著輸出功率的不斷提高，對(duì)特種光纖的技術(shù)要求也越來越高，因此， 特種光纖的發(fā)展將在光纖激光器的發(fā)展中扮演重要角色。 以光子晶體光纖為代表的新一代特種光纖會(huì)在光纖激光器的發(fā)展中逐步得到應(yīng)用。 特種光纖的發(fā)展，將使有源光纖的增益更高、承受的功率密度更大、對(duì)泵浦光的吸收更有效；將使光柵的制作更容易、 光柵的穩(wěn)定性更好、 使光柵在光纖激光器中的用途更廣泛； 將使能量傳輸光纖能夠傳輸更高的功率， 能夠?qū)⒏吖β始す鈧魉透h(yuǎn)的距離，能夠傳輸?shù)牟ㄩL范圍不斷拓展； 將使泵浦耦合更加容易實(shí)現(xiàn)， 能承受的泵浦功率更高，損耗更小等等。3.2 包層泵浦耦合技術(shù)全光纖激光器的包層泵浦耦合技術(shù)對(duì)決定

13、光纖激光器性能和水平具有不可估量的作用。 用于大功率全光纖激光器的光纖泵浦耦合器件和光纖功率合成器件，均在很高的功率下條件下使用， 其耦合效率必須很高， 損耗必須很小， 承受的功率必須很大， 并且， 輸入光的路數(shù)還需要盡可能的多。 在如此眾多的極限條件要求下， 制作優(yōu)質(zhì)的泵浦耦合器件和功率合成器件具有很高的難度， 不過， 實(shí)現(xiàn)的方式方法也多種多樣， 這是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的技術(shù)。 從大功率全光纖激光器的發(fā)展趨勢(shì)來看， 還要求泵浦耦合器件在將泵浦光耦合到內(nèi)包層的同時(shí)， 盡量不影響和損害雙包層光纖的纖芯， 因?yàn)橹挥羞@樣才能在不影響信號(hào)激光的產(chǎn)生和傳輸?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)泵浦， 實(shí)現(xiàn)超大功率的輸出。 本文認(rèn)

14、為， 發(fā)展對(duì)纖芯影響最小的泵浦耦合技術(shù)是泵浦耦合器件的發(fā)展方向。 對(duì)于光纖功率合成器件， 所追求的目標(biāo)就是不斷提高合成的光功率。3.3 光纖光柵技術(shù)光纖光柵在全光纖激光器中， 目前的作用是反射纖芯中的信號(hào)激光器形成諧振腔， 不過， 隨著光纖激光器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， 光纖光柵在光纖激光器中會(huì)有新的用途， 從而對(duì)光纖光柵的制作技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)， 其中值得關(guān)注的方向之一，是在大芯徑多模光纖上制作高質(zhì)量的光纖光柵。3.4 半導(dǎo)體泵浦激光器技術(shù)半導(dǎo)體泵浦激光器是光纖激光器的關(guān)鍵器件， 對(duì)光纖激光器的可靠性、 壽命和制作成本等影響至關(guān)重要， 發(fā)展單條寬發(fā)光區(qū)長壽命半導(dǎo)體泵浦激光器已經(jīng)成為光纖激光器用半導(dǎo)體

15、泵浦激光器的一種趨勢(shì)， 不斷提高單個(gè)激光器的輸出功率、不斷降低成本和進(jìn)一步提高可靠性是重點(diǎn)， 其中改進(jìn)和創(chuàng)新封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)該是核心工作，因?yàn)槟壳胺庋b成本所占比重還很高。3.5 光纖激光器整機(jī)技術(shù)全光纖激光器的整機(jī)設(shè)計(jì)和制作所涉及的知識(shí)、內(nèi)容、技術(shù)、工藝、經(jīng)驗(yàn)和KnowHoWJ多，是全光纖激光器設(shè)計(jì)和制作最核心、最關(guān)鍵的技術(shù)，尤其在新型大功率全光纖激光器的發(fā)展歷史還相當(dāng)短暫的今天， 還有大量開創(chuàng)性的工作需要進(jìn)行。進(jìn)行全光纖激光器的整機(jī)設(shè)計(jì)和制作，不但需要面向應(yīng)用進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，而且肩負(fù)著整機(jī)結(jié)構(gòu)和方案的改進(jìn)創(chuàng)新重任、 肩負(fù)著各重要部件和關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新重任。 目前在世界范圍內(nèi)， 進(jìn)行光纖激光器整機(jī)

16、設(shè)計(jì)和制作的廠家均在創(chuàng)新上有大量的投入。4 我國實(shí)用化全光纖激光器的研制進(jìn)展北京光電技術(shù)研究所是我國最早從事大功率全光纖激光器研制的單位之一，在實(shí)用化全光纖激光器的研制方面處于國內(nèi)前列，已經(jīng)研制成功的30W中模連續(xù)全光纖激光器，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)處于國內(nèi)同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平， 2005 年 4 月 28 日由國家計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)我們研制的產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試， 2005 年 7 月 12 日通過了北京市科委組織的科技成果鑒定，鑒定之前，該激光器送用戶進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)使用，在鑒定會(huì)現(xiàn)場(chǎng)， 用該激光器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)切割不銹鋼薄板的演示。 這是由我國自主研制開發(fā)的第一臺(tái)能夠在普通環(huán)境下投入使用的大功率光纖激光器。 由中科院

17、物理所許祖諺院士、 北京大學(xué)龔旗煌教授、 清華大學(xué)張書煉教授、 北京工業(yè)大學(xué)李港教授、中國電子科技集團(tuán)公司第 11 研究所張世文研究員、北京理工大學(xué)辛建國教授、首都師范大學(xué)方炎教授組成的專家組對(duì)該項(xiàng)成果給予了高度評(píng)價(jià)。4.1 方案和結(jié)構(gòu)所研制的全光纖激光器采用圖 1A 所示的光路結(jié)構(gòu)，使用單條寬發(fā)光區(qū)長壽命半導(dǎo)體多模泵浦激光器作泵浦源，光路設(shè)計(jì)適合60W以內(nèi)單模連續(xù)工作，實(shí)際使用低于50W的泵浦功率獲得30W以上單模連續(xù)輸出。光路部分發(fā)熱較少， 僅需要考慮泵浦泄漏可能引起的熱問題， 散熱主要針對(duì)泵浦激光器，在整機(jī)連續(xù)輸出30W檄光功率時(shí)，泵浦激光器的熱耗散功率約60W在 10左右的溫升條件下，

18、合理尺寸的散熱片自然散熱即可，如果在更高的輸出功率下工作，加風(fēng)扇冷卻即可。整機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮實(shí)用化和商品化， 重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)化技術(shù)， 產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命大于 5 萬小時(shí)，光路具有免維護(hù)特性。4.2 參數(shù)指標(biāo)中國計(jì)量科學(xué)研究院測(cè)試結(jié)果如下：峰值波長：1085.378nm；光譜半寬：0.302nm；輸出功率：33.3W；輸出光模式：基模；M2： 1.103MX2： 1.148MY2： 1066；光光效率69.2%；電光效率：30.4%。圖 3 是我們研制的全光纖激光器光束質(zhì)量測(cè)試的部分結(jié)果。圖電派麟限印犯礴武功室分布5我國光纖激光器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀分析我國商用光纖激光器目前全部依賴進(jìn)口，原因是我們還沒有實(shí)現(xiàn)光

19、纖激光器 的商品化和產(chǎn)業(yè)化。我國光纖激光器的研制其實(shí)并不落后，已經(jīng)有好幾個(gè)單位實(shí)現(xiàn)了連續(xù)200W以上的輸出功率，但我國光纖激光器的產(chǎn)業(yè)化工作明顯滯后。 下面分析一下我國 光纖激光器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展滯后的原因。前文已經(jīng)提到，發(fā)展全光纖激光器需要5大關(guān)鍵技術(shù)，不難看出，這5大關(guān) 鍵技術(shù)除半導(dǎo)體泵浦激光器外，其他4大關(guān)鍵技術(shù)全部與光纖技術(shù)密切相關(guān)， 準(zhǔn) 確的說，是與能量光纖技術(shù)密切相關(guān)。能量光纖技術(shù)是以信號(hào)光纖技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā) 展起來的，而信號(hào)光纖技術(shù)主要是為光纖通信服務(wù)的，因此，能量激光和光通信這兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域通過光纖這種特殊的媒質(zhì)聯(lián)系起來，使從事光纖和光纖器件研制 和生產(chǎn)的單位能夠深入地介入這兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域并

20、成為其核心力量。在光通信走入低谷的時(shí)候，適逢光纖激光器取得歷史性突破之時(shí)，國外許多從事光通信光纖器 件研制生產(chǎn)的單位開始轉(zhuǎn)向能量光纖器件的研制和開發(fā)，以尋求新的發(fā)展機(jī)遇、 拓展生存空間。這些投入能量光纖激光器開發(fā)的單位目前已經(jīng)成為光纖激光器發(fā) 展的重要力量，為發(fā)展新型全光纖激光器作出了巨大貢獻(xiàn)。我國進(jìn)行光纖器件生產(chǎn)和開發(fā)的單位雖然非常多，但總體技術(shù)水平較弱，在光通信走入低谷的時(shí)候，相關(guān)單位基本上只能選擇在本行業(yè)苦苦支撐或關(guān)閉生產(chǎn)線兩 種方式，無力投入巨大資源進(jìn)行能量光纖器件的研制和開發(fā)，所以，當(dāng)全光纖激光器飛速發(fā)展對(duì)能量光纖器件提出迫切需求的時(shí)候，我國在這方面基本上還是一 片空白。對(duì)于我國最早從事光纖激光器研制的單位來說，面對(duì)國內(nèi)的這種局面， 發(fā)展全光纖激光器基本上沒有基礎(chǔ)可言，因此，透鏡整形聚焦端面泵浦外腔結(jié)構(gòu)的方案成為現(xiàn)實(shí)選擇。這種結(jié)構(gòu)很接近傳統(tǒng)的全固態(tài)激光器，對(duì)光纖技術(shù)的依賴程度很低，采用非光纖技術(shù)即可制作。但是，實(shí)踐證明，光纖激光器只有采用全光纖結(jié)構(gòu)才能充分體現(xiàn)整體的一致性、 完整性、 和諧性和匹配性， 采用充分展現(xiàn)光纖激光器的優(yōu)勢(shì)， 因此