光纖激光研究和技術發(fā)展現(xiàn)狀課件

1、激光研究的最新發(fā)展趨勢前言2010 是激光誕生 50 周年激光已從實驗室走向市場新型激光技術不斷推動激光發(fā)展激光研究的最新發(fā)展趨勢 日本產(chǎn)業(yè)振興協(xié)會(Industry Promotion Association of Japan) 在中國調(diào)查的光電子領域：光學設備和材料：THz、中紅外、可見到紫外波段新材料；光通信材料：光子網(wǎng)絡、局域網(wǎng)光纖、量子密碼通信、空間光無線通訊；光存儲和光信息處理：母盤制作和復制、藍光光盤、新一代大容量存儲技術；顯示器：包括液晶顯示、有機發(fā)光電子紙張顯示、投影顯示；用戶界面：圖像傳感、防災系統(tǒng)、光生物測定、家庭安全保密設備；激光應用和光學測量：新型激光源、光纖傳感、激

2、光冷卻、激光加工；光伏技術：薄膜電池、有機光伏電池、高效光伏電池；環(huán)境光子學；照明技術，LED白光照明。激光研究的最新發(fā)展趨勢以透明陶瓷為代表的新型激光材料以光纖激光為代表的新型激光結構以摻銩光纖激光為代表的新激光波長激光技術在光伏太陽能產(chǎn)業(yè)中的應用透明激光陶瓷的研究歷史和優(yōu)點透明激光陶瓷的進展 1.高效率陶瓷激光器 2. 高功率陶瓷激光器 3. 大能量陶瓷激光器 4. 超短脈沖陶瓷激光器 5.全陶瓷自調(diào)Q陶瓷激光器 6. 陶瓷光纖理想激光材料的展望1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料陶瓷意為“煅燒的材料”，已經(jīng)存在了數(shù)千年。隨著文明的進程，人類最終創(chuàng)造了透明多

3、晶光學陶瓷，現(xiàn)在我們可以利用它們作為增益介質(zhì)來形成激光振蕩。透明光學陶瓷中，散射是最大的光損耗過程。多種散射源包括微孔、顆粒邊界、單個顆粒內(nèi)的結構梯度以及光學各向異性材料的相和晶格缺陷等均能使局部折射率變化。同單晶相比，具有如下制備優(yōu)勢：大尺寸塊體，形狀可控。(2) 摻雜濃度高、光學均勻性好。(3)燒結溫度低，制備周期短，成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)。(4)可設計制備出多功能和復合結構的陶瓷。 同玻璃基質(zhì)相比，具有如下材料優(yōu)點：(1)熱導率高，是玻璃材料的數(shù)倍，有利于降低熱效應；(2)陶瓷的熔點遠高于玻璃的軟化點，能承受更高的輻射功率;(3)陶瓷激光器輸出激光的單色性比玻璃激光器好；1、以透明陶瓷為代

4、表的新型激光材料1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料1.1高效率陶瓷激光器2004年，中科院光機所采用超均勻側面泵浦技術在1at. Nd：YAG陶瓷棒中獲得輸出功率236W，斜率效率62的連續(xù)激光輸出2006年柏林大學芯摻雜高效率Nd：YAG陶瓷激光器，140W，斜率效率671.1高效率陶瓷激光器1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料1.2高功率陶瓷激光器1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料2006年，美國LLNL實驗室采用Sm3包邊Nd：YAG復合結構陶瓷熱容激光器實現(xiàn)了5Hz，67 kW激光輸出，持續(xù)時間10s。Sm3包邊Nd：YAG結構抑制ASE效應的原理1.2高功率陶瓷激光器1、以透明陶瓷為代

5、表的新型激光材料1.3 大能量陶瓷激光器- 低溫冷卻的Yb:YAG陶瓷激光器1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料未來大能量激光核聚變驅動器正從ICF向IFE發(fā)展，要求激光材料具有高的抗熱沖擊參數(shù)和大受激發(fā)射截面和大口徑。采用低溫冷卻的 Yb 晶體取代Nd玻璃是一種新型的設計理念。激光陶瓷可獲得大口徑，高摻雜，且熱機械性能更為優(yōu)越，是理想的可取材料。受激發(fā)射截面和抗熱沖擊系數(shù)隨溫度可調(diào)能夠實現(xiàn)高效能量提取能級結構激光系統(tǒng)，無激發(fā)態(tài)再吸收在LD泵浦下高激光增益良好的熱機械特性可以高平均功率運 日本大阪大學 計劃在16Hz重復頻率下獲得MJ量級激光輸出功率，光學轉換效率約121.3 大能量陶瓷激光器-

6、 低溫冷卻的Yb:YAG陶瓷激光器1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料Yb：YAG陶瓷ICF驅動系統(tǒng)示意圖1.4 超短脈沖陶瓷激光器1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料Yb：Y2O3和Yb：Lu2O3陶瓷材料具有寬的發(fā)射帶寬,是理想的飛秒激光器材料Yb：Y2O3 188fs鎖模脈沖Yb：Lu2O3 357fs鎖模脈沖1.4 超短脈沖陶瓷激光器1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料2004年,日本W(wǎng)orld-Labo.實驗室Yb:YSAG透明陶瓷，獲得脈沖寬度280fs，平均輸出能量為62mW的鎖模脈沖激光輸出1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料微芯片Nd3+，Cr4+：YAG雙摻雜自調(diào)Q全陶瓷激光器其中

7、Cr4+作為調(diào)Q開關1.5 全陶瓷自調(diào)Q脈沖激光器1.6 Nd：YAG陶瓷光纖1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料陶瓷的熱機械性能和可承受的功率密度優(yōu)于石英光纖-高功率Nd：YAG陶瓷光纖的形態(tài)陶瓷光纖激光器與普通光纖激光器的斜率效率1.6 Nd：YAG陶瓷光纖1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料理想激光材料的展望：陶瓷綜合了單晶和玻璃兩者的優(yōu)勢（良好的材料和光學特性）。激光陶瓷還可以便捷的制備，實現(xiàn)多層、多功能“All in One”的復合結構，給予了高性能固體激光器前所未有的高性/價比和便捷靈活的設計1、以透明陶瓷為代表的新型激光材料2 、以光纖激光為代表的新型激光結構 對于傳統(tǒng)的棒狀工作物質(zhì)

8、在高功率時，存在嚴重的熱透鏡效應和熱致雙折射，導致光束質(zhì)量下降2 、以光纖激光為代表的新型激光結構光纖激光器的眾多優(yōu)點決定了它是未來高功率高光束質(zhì)量全固態(tài)激光系統(tǒng)的可靠選擇之一，很有可能取代現(xiàn)有的CO2激光器和YAG激光器。1、易于散熱-增益介質(zhì)的表面積/體積比大2、光束質(zhì)量好-優(yōu)異的雙波導限制機制，3、固有的全封閉柔性光路4、光路具有免維護性5、光電效率高20-30%-LD（10-15%）6、壽命長 7、體積小重量輕8、輸出功率大9、節(jié)水節(jié)電成本10、造價不斷降低光纖激光器的結構光纖激光器的應用領域 1.激光加工對激光器的要求 2.低功率光纖激光器的應用 3.中功率光纖激光器的應用 4.高功

9、率光纖激光器的應用光纖激光器發(fā)展歷史和現(xiàn)狀光纖激光器發(fā)展趨勢2 、以光纖激光為代表的新型激光結構2 、以光纖激光為代表的新型激光結構 光纖激光器在數(shù)千瓦仍有可能保持單模，常規(guī)固體激光器是不可能實現(xiàn)的半導體泵浦全固態(tài)光纖激光器基本結構泵浦系統(tǒng)耦合系統(tǒng)光纖及輸出系統(tǒng)2 、以光纖激光為代表的新型激光結構Photonic crystal fiber ：PCF光子晶體光纖2 、以光纖激光為代表的新型激光結構2 、以光纖激光為代表的新型激光結構不同類型激光器參數(shù)對比 激光加工激光束作用于物體的表面而引起的物體的變形，或物體的性能的改變的加工過程。按光與物質(zhì)相互作用機理，大體可將激光加工分為激光熱加工和激光

10、光化學反應加工（冷加工）兩類。優(yōu)點：熱影響小，不受電磁干擾 ，易于導向、聚焦和發(fā)散。 激光熱加工的光源主要采用紅外激光器，如CO2激光器、和Nd:YAG激光器，現(xiàn)在主要用于汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、輕紡工業(yè)和電子工業(yè)的各類加工。 激光光化學反應加工的光源主要采用紫外激光器，如準分子激光器，迄今已成功地應用于半導體工業(yè)。 2 、以光纖激光為代表的新型激光結構1.激光加工對激光器的要求2 、以光纖激光為代表的新型激光結構激光加工對激光器的模式和功率有很高的要求 波長：不同波長，有不同用途。如：紫外光對光刻很有用，1.08微米波長的激光能被大多數(shù)材料吸收，適于切割和焊接金屬，F(xiàn)iber Laser的波長為

11、激光加工的發(fā)展提供了廣闊的應用前景。 橫模模式：決定激光光波場在空間的展開度，不同的加工種類和加工要求對激光能量分布有相應要求。如切割和焊接要求 基橫模，淬火卻要求高階模。目前，F(xiàn)iber Laser輸出的插頭效率在20%30%之間。2 、以光纖激光為代表的新型激光結構激光加工對激光器的模式和功率有很高的要求 功率：工件表面某點吸收能量的多少依賴于激光輸出功率和激光輻照時間；Fiber Laser的功率輸出已達千瓦級，可以滿足多種激光加工的需要。 偏振特性：激光偏振特性影響材料的吸收特性，進而影響激光加工時材料吸收能量的份額。光纖激光的基波發(fā)射一般在1.08m左右，輸出偏振特性不明顯；采用保偏

12、光纖可以獲得偏振輸出。不同的應用對光束質(zhì)量的要求2 、以光纖激光為代表的新型激光結構2 、以光纖激光為代表的新型激光結構 光纖激光器的主要應用之一：微加工（打標、雕刻、調(diào)阻等）低功率50W a電鍍金屬零件，b表面染色的鋁制品，c拋光的不銹鋼片，d表面有色涂層的鋁片a集成電路芯片，b塑封的晶體管，c皮革制品，d塑料日用品等。金屬軟邊光闌（提供中國原子能科學研究院等單位 ）小孔陣列（提供上海大學）ab上光所研制的SF-1光纖激光打標機上光所研制的便攜式光纖激光打標機 20082 、以光纖激光為代表的新型激光結構 光纖激光器的主要應用之一：微加工光纖激光器的主要應用之二2 、以光纖激光為代表的新型激

13、光結構材料加工(軟焊、燒結、切割、打孔等)中等功率 50WP1KW不銹鋼板焊接樣品照片鋼板厚度1.5mm，激光功率200W光纖激光器用于不銹鋼板焊接實驗研究 激光波長1080nm，光束直徑20mmM21.38透鏡f=30mm2 、以光纖激光為代表的新型激光結構2 、以光纖激光為代表的新型激光結構不同類型激光器表面處理效果對比 光纖激光器的主要應用之二 材料加工SIOM 的高功率光纖激光器輸出功率：1.75kW, 斜率效率 ：76%波長： 1.09um 高功率光纖激光器通常指輸出超過千瓦級。優(yōu)點：能遠距離加工、光束質(zhì)量好、功率密度高、已廣泛應用于厚金屬（10cm）切割、遠距離焊接、巖石混凝土的鉆

14、孔、淬火和原型復制等加工領域。軍事領域 掃雷，軟殺傷，激光武器 光纖激光器的主要應用之三： 定向能武器2 、以光纖激光為代表的新型激光結構 光纖激光器的主要應用之三： 定向能武器2 、以光纖激光為代表的新型激光結構 組束 高功率(10KW)1963年-第一臺光纖激光器 （摻釹光纖激光器）1973年二極管激光器泵浦的光纖激光器1988年E， Snitzer提出雙包層泵浦光纖激光器技術，成為制作高功率光纖激光器首選途徑 目前IPG公司實現(xiàn)了單模，輸出功率為10kw的光纖激光器2 、以光纖激光為代表的新型激光結構光纖激光器發(fā)展歷史和現(xiàn)狀IPG公司2 、以光纖激光為代表的新型激光結構2 、以光纖激光為

15、代表的新型激光結構 在過去三年，光纖激光器取得了42%的令人印象深刻的增長，2008年達到了3億美元（根據(jù)Optech咨詢公司的報告Fibre Lasers 2009。 光纖激光器的發(fā)展趨勢高功率高亮度兩種實現(xiàn)技術大模場有源光纖結合模式選擇技術相干組束技術提高單纖輸出功率改善光束質(zhì)量提高輸出功率同時保證好的光束質(zhì)量高功率高亮度2 、以光纖激光為代表的新型激光結構銩激光的主要應用領域銩的能級圖與吸收譜摻銩光纖激光器的進展SIOM 的摻銩光纖激光器3. 以摻銩光纖激光為代表的新激光波長3. 以摻銩光纖激光為代表的新激光波長波長處在2-3微米的中紅外光纖激光器在激光顯微、外科手術等領域具有廣闊的應用

16、。在軍事上，戰(zhàn)爭中很多軍事目標探測器大多都能是在紅外線輻射范圍,且中遠紅外線適于全天候和遠距離的傳輸。 2微米光纖激光器是光參量產(chǎn)生中紅外（3-5微米）的最佳泵浦源之一，其一直是國內(nèi)外研究熱點。國外已經(jīng)報道了KW 級的2微米激光器，IPG實現(xiàn)500W 全光纖激光器。銩激光的主要應用Doppler LIDAR Surgery Remote sensing Tm3+ fiber lasers Tm3+ :YAP lasers Tm3+ :YLF lasers Tm3+ : LLF lasers Tm3+ :YAG ceramic lasers3. 以摻銩光纖激光為代表的新激光波長銩的能級圖長熒光壽

17、命(ms)高量子效率商業(yè)LD泵浦(780-795 nm) 吸收一個泵浦光子上能級兩個光子交叉弛豫摻銩光纖的吸收譜（左）與發(fā)射譜（右）三種泵浦方式：790nm（LD）；1300nm（Nd激光器）；1600nm（Er激光器）。3. 以摻銩光纖激光為代表的新激光波長3. 以摻銩光纖激光為代表的新激光波長近年來摻Tm光纖的高功率激光進展 3. 以摻銩光纖激光為代表的新激光波長雙向泵浦的摻銩光纖激光器實驗裝置烽火科技光纖：纖芯直徑25微米，纖芯NA為0.08；內(nèi)包層為D型結構，尺寸為400微米。光纖長度3.5米SIOM 摻銩光纖激光器：入纖功率輸出功率斜效率波長130W55W45%1.99um附近SIO

18、M中紅外光纖激光器的研究不同長度的摻銩光纖激光器的輸出光譜3.5m長的光纖激光器在不同輸出功率時的光譜 摻銩光纖激光器可以實現(xiàn)高的連續(xù)功率輸出（50W）；摻銩光纖激光器輸出的光譜在高功率下比較寬,，工作波長不穩(wěn)定，不利于直接作為3-5m的中紅外固體激光器的泵浦源；中紅外激光器的光參量振蕩泵浦源，對線寬、波長、線偏振、及高重頻的脈沖有要求，需對摻銩光纖激光器作進一步研究及改進。2022/8/9太陽能：可再生清潔能源電網(wǎng)等價點太陽能電價常規(guī)能源電價4.激光技術在光伏太陽能產(chǎn)業(yè)的應用4.激光技術在光伏太陽能產(chǎn)業(yè)的應用激光技術快速、精確可控、零接觸薄膜化工藝簡化提高產(chǎn)能增強吸收表面處理優(yōu)化電極高效率低成本疊層、聚光太陽能電池4.激光技術在光伏太陽能產(chǎn)業(yè)的應用激光摻雜激光刻槽/邊緣隔離激光打孔/ 激光燒結電極激光劃線 （薄膜電池）體硅薄膜激光表面織構體硅激光切割4.激光技術在光伏太陽能產(chǎn)業(yè)的應用下面以高重頻脈沖光纖激光器在太陽能電池領域的應用為例介紹1、脈沖調(diào)制的單模LD、2、固體激光調(diào)Q、3、光纖激光聲光調(diào)Q 種子光-振蕩放大（MOPA）結構高性能小功率激光器 雙包層光纖做為功率放大器 主要優(yōu)點：脈沖參數(shù)可調(diào)（重頻、脈寬、波形、脈沖能量）4.激光