光纖激光研究和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀課件

1、激光研究的最新發(fā)展趨勢(shì)前言2010 是激光誕生 50 周年激光已從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)新型激光技術(shù)不斷推動(dòng)激光發(fā)展激光研究的最新發(fā)展趨勢(shì) 日本產(chǎn)業(yè)振興協(xié)會(huì)(Industry Promotion Association of Japan) 在中國(guó)調(diào)查的光電子領(lǐng)域：光學(xué)設(shè)備和材料：THz、中紅外、可見(jiàn)到紫外波段新材料；光通信材料：光子網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)光纖、量子密碼通信、空間光無(wú)線通訊；光存儲(chǔ)和光信息處理：母盤制作和復(fù)制、藍(lán)光光盤、新一代大容量存儲(chǔ)技術(shù)；顯示器：包括液晶顯示、有機(jī)發(fā)光電子紙張顯示、投影顯示；用戶界面：圖像傳感、防災(zāi)系統(tǒng)、光生物測(cè)定、家庭安全保密設(shè)備；激光應(yīng)用和光學(xué)測(cè)量：新型激光源、光纖傳感、激

2、光冷卻、激光加工；光伏技術(shù)：薄膜電池、有機(jī)光伏電池、高效光伏電池；環(huán)境光子學(xué)；照明技術(shù)，LED白光照明。激光研究的最新發(fā)展趨勢(shì)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(jié)構(gòu)以摻銩光纖激光為代表的新激光波長(zhǎng)激光技術(shù)在光伏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用透明激光陶瓷的研究歷史和優(yōu)點(diǎn)透明激光陶瓷的進(jìn)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(jìn)程，人類最終創(chuàng)造了透明多

3、晶光學(xué)陶瓷，現(xiàn)在我們可以利用它們作為增益介質(zhì)來(lái)形成激光振蕩。透明光學(xué)陶瓷中，散射是最大的光損耗過(guò)程。多種散射源包括微孔、顆粒邊界、單個(gè)顆粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)梯度以及光學(xué)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(shì)：大尺寸塊體，形狀可控。(2) 摻雜濃度高、光學(xué)均勻性好。(3)燒結(jié)溫度低，制備周期短，成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)。(4)可設(shè)計(jì)制備出多功能和復(fù)合結(jié)構(gòu)的陶瓷。 同玻璃基質(zhì)相比，具有如下材料優(yōu)點(diǎn)：(1)熱導(dǎo)率高，是玻璃材料的數(shù)倍，有利于降低熱效應(yīng)；(2)陶瓷的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于玻璃的軟化點(diǎn)，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(jī)所采用超均勻側(cè)面泵浦技術(shù)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(xué)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(guó)LLNL實(shí)驗(yàn)室采用Sm3包邊Nd：YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷熱容激光器實(shí)現(xiàn)了5Hz，67 kW激光輸出，持續(xù)時(shí)間10s。Sm3包邊Nd：YAG結(jié)構(gòu)抑制ASE效應(yīng)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(lái)大能量激光核聚變驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)理念。激光陶瓷可獲得大口徑，高摻雜，且熱機(jī)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?qū)崿F(xiàn)高效能量提取能級(jí)結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，無(wú)激發(fā)態(tài)再吸收在LD泵浦下高激光增益良好的熱機(jī)械特性可以高平均功率運(yùn) 日本大阪大學(xué) 計(jì)劃在16Hz重復(fù)頻率下獲得MJ量級(jí)激光輸出功率，光學(xué)轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)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(jī)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(shì)（良好的材料和光學(xué)特性）。激光陶瓷還可以便捷的制備，實(shí)現(xiàn)多層、多功能“All in One”的復(fù)合結(jié)構(gòu)，給予了高性能固體激光器前所未有的高性/價(jià)比和便捷靈活的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu) 對(duì)于傳統(tǒng)的棒狀工作物質(zhì)

8、在高功率時(shí)，存在嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)和熱致雙折射，導(dǎo)致光束質(zhì)量下降2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu)光纖激光器的眾多優(yōu)點(diǎn)決定了它是未來(lái)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(dǎo)限制機(jī)制，3、固有的全封閉柔性光路4、光路具有免維護(hù)性5、光電效率高20-30%-LD（10-15%）6、壽命長(zhǎng) 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(jià)不斷降低光纖激光器的結(jié)構(gòu)光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域 1.激光加工對(duì)激光器的要求 2.低功率光纖激光器的應(yīng)用 3.中功率光纖激光器的應(yīng)用 4.高功

9、率光纖激光器的應(yīng)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(shì)2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu)2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu) 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(shí)現(xiàn)的半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)光纖激光器基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu)不同類型激光器參數(shù)對(duì)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(guò)程。按光與物質(zhì)相互作用機(jī)理，大體可將激光加工分為激光熱加工和激光

10、光化學(xué)反應(yīng)加工（冷加工）兩類。優(yōu)點(diǎn)：熱影響小，不受電磁干擾 ，易于導(dǎo)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(xué)反應(yīng)加工的光源主要采用紫外激光器，如準(zhǔn)分子激光器，迄今已成功地應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)。 2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu)1.激光加工對(duì)激光器的要求2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu)激光加工對(duì)激光器的模式和功率有很高的要求 波長(zhǎng)：不同波長(zhǎng)，有不同用途。如：紫外光對(duì)光刻很有用，1.08微米波長(zhǎng)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(zhǎng)為

11、激光加工的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用前景。 橫模模式：決定激光光波場(chǎng)在空間的展開(kāi)度，不同的加工種類和加工要求對(duì)激光能量分布有相應(yīng)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(jié)構(gòu)激光加工對(duì)激光器的模式和功率有很高的要求 功率：工件表面某點(diǎn)吸收能量的多少依賴于激光輸出功率和激光輻照時(shí)間；Fiber Laser的功率輸出已達(dá)千瓦級(jí)，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(jìn)而影響激光加工時(shí)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(yīng)用對(duì)光束質(zhì)量的要求2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu)2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu) 光纖激光器的主要應(yīng)用之一：微加工（打標(biāo)、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(guó)原子能科學(xué)研究院等單位 ）小孔陣列（提供上海大學(xué)）ab上光所研制的SF-1光纖激光打標(biāo)機(jī)上光所研制的便攜式光纖激光打標(biāo)機(jī) 20082 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu) 光纖激光器的主要應(yīng)用之一：微加工光纖激光器的主要應(yīng)用之二2 、以光纖激光為代表的新型激

13、光結(jié)構(gòu)材料加工(軟焊、燒結(jié)、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(shí)驗(yàn)研究 激光波長(zhǎng)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(jié)構(gòu)2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu)不同類型激光器表面處理效果對(duì)比 光纖激光器的主要應(yīng)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(zhǎng)： 1.09um 高功率光纖激光器通常指輸出超過(guò)千瓦級(jí)。優(yōu)點(diǎn)：能遠(yuǎn)距離加工、光束質(zhì)量好、功率密度高、已廣泛應(yīng)用于厚金屬（10cm）切割、遠(yuǎn)距離焊接、巖石混凝土的鉆

14、孔、淬火和原型復(fù)制等加工領(lǐng)域。軍事領(lǐng)域 掃雷，軟殺傷，激光武器 光纖激光器的主要應(yīng)用之三： 定向能武器2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu) 光纖激光器的主要應(yīng)用之三： 定向能武器2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu) 組束 高功率(10KW)1963年-第一臺(tái)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(shù)，成為制作高功率光纖激光器首選途徑 目前IPG公司實(shí)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(jié)構(gòu)光纖激光器發(fā)展歷史和現(xiàn)狀I(lǐng)PG公司2 、以光纖激光為代表的新型激光結(jié)構(gòu)2 、以光纖激光為

15、代表的新型激光結(jié)構(gòu) 在過(guò)去三年，光纖激光器取得了42%的令人印象深刻的增長(zhǎng)，2008年達(dá)到了3億美元（根據(jù)Optech咨詢公司的報(bào)告Fibre Lasers 2009。 光纖激光器的發(fā)展趨勢(shì)高功率高亮度兩種實(shí)現(xiàn)技術(shù)大模場(chǎng)有源光纖結(jié)合模式選擇技術(shù)相干組束技術(shù)提高單纖輸出功率改善光束質(zhì)量提高輸出功率同時(shí)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(jié)構(gòu)銩激光的主要應(yīng)用領(lǐng)域銩的能級(jí)圖與吸收譜摻銩光纖激光器的進(jìn)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(zhǎng)3. 以摻銩光纖激光為代表的新激光波長(zhǎng)波長(zhǎng)處在2-3微米的中紅外光纖激光器在激光顯微、外科手術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用

16、。在軍事上，戰(zhàn)爭(zhēng)中很多軍事目標(biāo)探測(cè)器大多都能是在紅外線輻射范圍,且中遠(yuǎn)紅外線適于全天候和遠(yuǎn)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(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。國(guó)外已經(jīng)報(bào)道了KW 級(jí)的2微米激光器，IPG實(shí)現(xiàn)500W 全光纖激光器。銩激光的主要應(yīng)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(zhǎng)銩的能級(jí)圖長(zhǎng)熒光壽

17、命(ms)高量子效率商業(yè)LD泵浦(780-795 nm) 吸收一個(gè)泵浦光子上能級(jí)兩個(gè)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(zhǎng)3. 以摻銩光纖激光為代表的新激光波長(zhǎng)近年來(lái)?yè)絋m光纖的高功率激光進(jìn)展 3. 以摻銩光纖激光為代表的新激光波長(zhǎng)雙向泵浦的摻銩光纖激光器實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)，尺寸為400微米。光纖長(zhǎng)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(zhǎng)130W55W45%1.99um附近SIO

18、M中紅外光纖激光器的研究不同長(zhǎng)度的摻銩光纖激光器的輸出光譜3.5m長(zhǎng)的光纖激光器在不同輸出功率時(shí)的光譜 摻銩光纖激光器可以實(shí)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(zhǎng)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(duì)線寬、波長(zhǎng)、線偏振、及高重頻的脈沖有要求，需對(duì)摻銩光纖激光器作進(jìn)一步研究及改進(jìn)。2022/8/9太陽(yáng)能：可再生清潔能源電網(wǎng)等價(jià)點(diǎn)太陽(yáng)能電價(jià)常規(guī)能源電價(jià)4.激光技術(shù)在光伏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用4.激光技術(shù)在光伏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用激光技術(shù)快速、精確可控、零接觸薄膜化工藝簡(jiǎn)化提高產(chǎn)能增強(qiáng)吸收表面處理優(yōu)化電極高效率低成本疊層、聚光太陽(yáng)能電池4.激光技術(shù)在光伏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用激光摻雜激光刻槽/邊緣隔離激光打孔/ 激光燒結(jié)電極激光劃線 （薄膜電池）體硅薄膜激光表面織構(gòu)體硅激光切割4.激光技術(shù)在光伏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用下面以高重頻脈沖光纖激光器在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(diǎn)：脈沖參數(shù)可調(diào)（重頻、脈寬、波形、脈沖能量）4.激光