光纖激光器及其應(yīng)用課件

光纖激光器及其應(yīng)用

廖健宏華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院8/10/20231光纖激光器及其應(yīng)用廖健宏8/8/20231目錄引言光纖激光器基本結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)高功率光纖激光器及其研究進(jìn)展高功率光纖激光器的應(yīng)用展望8/10/20232目錄引言8/8/20232

激光器問世不久，美國光學(xué)公司（Americanopticalcorporation）的Snitzer和Koester于１９６３年首先提出光纖激光器和放大器的構(gòu)思。１９６６年高錕和Hockham提出了光纖通信的基本概念。１９７０年后光纖通信經(jīng)歷研究開發(fā)階段（１９６６－１９７６），實(shí)用化階段（１９７７－１９８６）迅速進(jìn)入１９８６年以后的大規(guī)模光纖通信建設(shè)階段。

一、引言8/10/20233激光器問世不久，美國光學(xué)公司（Ame

隨著光通信的迅猛發(fā)展，光纖制造工藝與半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，為光纖激光器和放大器的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。英國的南安普敦大學(xué)和通訊研究實(shí)驗(yàn)室、德國漢堡技術(shù)大學(xué)、美國的PolaroidCorporation,Bell實(shí)驗(yàn)室，日本的ＮＴＴ、Ｈｏｙａ均在光纖激光器研究中取得許多重要成果。

8/10/20234隨著光通信的迅猛發(fā)展，光纖制造工藝與半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)

近年來，美國IPGPhotonics公司異軍突起，不僅展示Ｓ，Ｃ，ＬBands的各種光纖放大器，高功率的ＥＤＦＡ，Raman光纖激光器和雙波長Raman光纖激光器，更引起國際關(guān)注的是該公司已推出各種商用摻Y(jié)b高功率光纖激光器，最大功率達(dá)1萬瓦；單模輸出功率高達(dá)1000W,光束質(zhì)量非常好，M2小于1.1。8/10/20235近年來，美國IPGPhotonics公高功率光纖激光器具有光束質(zhì)量好、壽命長、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，其主要性能已明顯優(yōu)于半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器和CO2激光器。從發(fā)展態(tài)勢看，光纖激光器不僅在光纖通信領(lǐng)域有重要的應(yīng)用而且迅速地向其他更為廣闊的激光應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，這是一類已經(jīng)取得技術(shù)突破，正在向技術(shù)的廣度和深度迅速發(fā)展的、有重要應(yīng)用前景的激光器。

8/10/20236高功率光纖激光器具有光束質(zhì)量好、壽命長、轉(zhuǎn)換效率二、光纖激光器基本結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)

諧振腔腔鏡可為反射鏡、光纖光柵或光纖環(huán)

諧振腔耦合光學(xué)系統(tǒng)工作物質(zhì)(增益光纖)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)LD泵浦源光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)與固體激光器的結(jié)構(gòu)基本相同，如下圖所示：8/10/20237二、光纖激光器基本結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)諧振腔腔鏡可為反射鏡、光纖

光纖激光器大致可分為三類:

稀土元素?fù)诫s光纖激光器

摻雜離子可為Nd3+，Er3+，Yb3+，Tm3+等，基質(zhì)可以是石英玻璃，氟化鋯玻璃，磷酸鹽玻璃、單晶、光子晶體光纖等。

染料光纖激光器

纖芯、包層或二者加入激光染料。

非線性光纖激光器

利用光纖中的SRS，SBS非線性效應(yīng)產(chǎn)生波長可變換的激光。8/10/20238光纖激光器大致可分為三類:8/8/20238光纖激光器的主要特點(diǎn)

（1）光纖作為導(dǎo)波介質(zhì)，纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，可方便地與目前的光纖通信系統(tǒng)高效連接，構(gòu)成的激光器具有高轉(zhuǎn)換效率、低閾值、高增益、輸出光束質(zhì)量好和線寬窄等特點(diǎn)；（2）由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可設(shè)計(jì)得相當(dāng)小巧靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易于系統(tǒng)集成、性能價(jià)格比高；

8/10/20239光纖激光器的主要特點(diǎn)（1）光纖作為導(dǎo)波介質(zhì)，纖芯（3）由于光纖具有很高的“表面積/體積”比，散熱效果非常好，所以光纖激光器可以工作在-20~70℃的環(huán)境溫度內(nèi)，不需要龐大的水冷系統(tǒng)，只需簡單的風(fēng)冷即可，且可在惡劣的環(huán)境下工作，如在高沖擊、高震動、高溫度、有灰塵的條件下正常運(yùn)轉(zhuǎn)；（4）具有相當(dāng)好的可調(diào)諧參數(shù)和選擇性，能獲得寬調(diào)諧范圍（380nm～3900nm）和相當(dāng)好的單色性和高穩(wěn)定性，使用壽命長，平均無故障工作時(shí)間在10kh甚至100kh以；（5）采用特殊的器件結(jié)構(gòu)可獲得高功率輸出或超短脈沖輸出。8/10/202310（3）由于光纖具有很高的“表面積/體積”三、高功率光纖激光器及其研究進(jìn)展光纖激光器不僅與固體、氣體、半導(dǎo)體激光器等相比，有非常明顯的優(yōu)越性，而且與二極管泵浦固體激光器相比，也有更好的光束質(zhì)量，可得到更小的聚焦光斑。隨著光纖激光器應(yīng)用的更加廣泛，對高功率光纖激光器的需要越來越大。為了獲得高功率輸出，關(guān)鍵之一是包層泵浦技術(shù)（Claddingpumpedtechnology）。8/10/202311三、高功率光纖激光器及其研究進(jìn)展光纖雙包層光纖激光器

雙包層摻雜光纖的構(gòu)形如下圖所示

內(nèi)包層光纖芯外包層保護(hù)層激光輸出泵浦光8/10/202312雙包層光纖激光器雙包層摻雜光纖的構(gòu)形如下圖所示內(nèi)包層光纖

雙包層摻雜光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層四個(gè)層次組成。內(nèi)包層的作用：一是包繞纖芯，將激光輻射限制在纖芯內(nèi)；二是將泵浦光耦合到內(nèi)包層，使之在內(nèi)包層和外包層之間來回反射，多次穿過單模纖芯被其吸收。在雙包層結(jié)構(gòu)中，泵浦光的吸收率和內(nèi)包層的幾何形狀和纖芯在包層結(jié)構(gòu)中的位置有關(guān)。此外，泵浦光被摻雜稀土離子的吸收率正比于內(nèi)包層和外包層的面積比。8/10/2023138/8/202313

美國IPG公司相繼推出輸出功率為700W、2KW和10KW的摻Y(jié)b雙包層高功率光纖激光器產(chǎn)品。為了提高光纖激光器的輸出功率，可采用多組寬帶區(qū)多模半導(dǎo)體二極管作為泵浦源，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示

8/10/202314美國IPG公司相繼推出輸出功率為708/10/2023158/8/202315高功率光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)（1）產(chǎn)生激光的特種光纖（Yb-dopeddoublecladdingfiber）（2）光纖光柵（激光腔）（3）大功率激光二極管——泵浦光/光纖輸出（4）多路泵浦光注入耦合系統(tǒng)（5）多路光纖激光合波器8/10/202316高功率光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)（1）產(chǎn)生激光的特種光纖（Yb-doIPG公司已經(jīng)推出的部分產(chǎn)品8/10/202317IPG公司已經(jīng)推出的部分產(chǎn)品8/8/202317IPG萬瓦級光纖激光器8/10/202318IPG萬瓦級光纖激光器8/8/202318IPG公司高功率光纖激光器主要指標(biāo)8/10/202319IPG公司高功率光纖激光器主要指標(biāo)8/8/202319國內(nèi)研究概況

國內(nèi)有眾多的高校和研究所在進(jìn)行摻鐿雙包層光纖激光器的研究工作。目前，取得了一些可喜的成績。

（1）今年7月份，上海光機(jī)所在繼去年11月份得到百瓦功率之后，又獲得了200W的輸出功率，光-光轉(zhuǎn)換效率接近70%，在該項(xiàng)目的研究中，已經(jīng)申請了十幾項(xiàng)專利技術(shù)。

8/10/202320國內(nèi)研究概況國內(nèi)有眾多的高校和研究所在國內(nèi)研究概況

（2）南開大學(xué)在研制出短脈沖光纖激光器的同時(shí)，大膽創(chuàng)新，率先研制出了雙包層光纖光柵，為雙包層光纖激光器的全光纖化研究，邁出了重要的一步。

（3）武漢烽火通信成功推出了完全達(dá)到商用水平的雙包層摻鐿光纖產(chǎn)品。據(jù)悉，通過上海光機(jī)所試用，其斜率效率達(dá)到66％以上，在選用合適的光纖長度和泵浦功率的條件下，可實(shí)現(xiàn)100W以上的激光功率輸出，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

8/10/202321國內(nèi)研究概況（2）南開大學(xué)在研制出短脈沖光纖

值得一提的是，近1-2年內(nèi)，國內(nèi)外掀起了光子晶體特別是光子晶體光纖的研究熱潮，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模機(jī)制使光子晶體光纖具有許多普通光纖所不具備的優(yōu)越特性。根據(jù)不同的特性，有望研制出各種光子晶體功能器件，比如光子晶體光纖光柵、光子晶體衰減器、激光器和放大器等等。目前國外有多家公司有晶體光纖產(chǎn)品，比如丹麥晶體光纖公司推出了“雙包層高數(shù)值孔徑摻鐿晶體光纖”，這種光纖可以用在光纖激光器或光纖放大器中，另外由于該光纖具有光敏性，還可以在其上刻寫光纖光柵。晶體光纖應(yīng)用于光纖激光器中8/10/202322值得一提的是，近1-2年內(nèi)，國內(nèi)外掀起了光子該公司DC-420-23-Yb型雙包層高數(shù)值孔徑摻鐿晶體光纖NearFieldofcoreat1310nm

NearFieldofcladding

FiberStructure8/10/202323該公司DC-420-23-Yb型雙包層高數(shù)值孔徑摻鐿晶體光纖

國內(nèi)燕山大學(xué)、電子科技集團(tuán)公司46研究所和上海光機(jī)所等單位也在開展光子晶體光纖方面的研制工作，其中燕山大學(xué)有一些初期的產(chǎn)品。今年6月份，上海光機(jī)所在大芯徑單模光子晶體光纖研制中獲新進(jìn)展，成功地拉制出芯徑達(dá)40μm的單模光子晶體光纖。北郵、北半、南開大學(xué)、深圳大學(xué)以及北方交通大學(xué)等研究所和高校開展了晶體光纖功能器件等的研究工作，取得了一些初步的成功。今年4月深圳大學(xué)成功研制出了15W光子晶體光纖激光器。8/10/202324國內(nèi)燕山大學(xué)、電子科技集團(tuán)公司46研究所和上海四、光纖激光器的應(yīng)用高功率摻鐿光纖激光器（HPFL）與目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半導(dǎo)體泵浦YAG激光器相比，表現(xiàn)出突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是電光轉(zhuǎn)換效率高，光束質(zhì)量好，泵浦源壽命長，使用方便，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，空氣冷卻等優(yōu)點(diǎn)，使它在激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中呈現(xiàn)出美好的應(yīng)用前景。8/10/202325四、光纖激光器的應(yīng)用8/8/202325表1幾類激光器性能的比較8/10/202326表1幾類激光器性能的比較8/8/202326光纖激光器可用于材料加工和制造

不同材料加工所需光纖激光器功率如下:金屬切割:500w~2kw；金屬焊接和硬焊:500w~20kw；金屬淬火和涂敷:2~20kw；玻璃和硅切割:500w~2kw；聚合物和復(fù)合材料切割為200w~1kw；快速印刷和打印:20w~1kw；軟焊和燒結(jié)為50~500w；消除放射性沾染為300w~1kw。8/10/202327光纖激光器可用于材料加工和制造不同材料加工所需光纖激光器功材料加工應(yīng)用范圍與激光功率、光束參數(shù)關(guān)系示意圖8/10/202328材料加工應(yīng)用范圍與激光功率、光束參數(shù)關(guān)系示意圖8/8/202高功率材料加工8/10/202329高功率材料加工8/8/202329經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高功率光纖激光器與燈泵和半導(dǎo)體泵浦的YAG激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：8/10/202330經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高功率光纖激光器與燈泵和半導(dǎo)體泵激光打標(biāo)包括半導(dǎo)體芯片/晶元片/集成電路/電子器件，醫(yī)療器件，手機(jī)/計(jì)算機(jī)鍵盤，儀器面板/按鍵，服裝鈕扣，香煙/食品包裝等。CO2和YAG激光器：體積大；高功耗；短壽命；高維護(hù)費(fèi)用；使用不方便。摻鐿光纖激光器：體積??；低功耗；長壽命；低成本，免維護(hù)；光束質(zhì)量好，工作面處功率密度高；光纖傳輸?shù)焦ぷ髅?，使用方便?/10/202331激光打標(biāo)CO2和YAG激光器：體積大；高功耗；短壽命；高維護(hù)深圳大族激光YLP-10光纖激光打標(biāo)機(jī)8/10/202332深圳大族激光YLP-10光纖激光打標(biāo)機(jī)8/8/202332YLP-10光纖激光打標(biāo)機(jī)技術(shù)參數(shù)8/10/202333YLP-10光纖激光打標(biāo)機(jī)技術(shù)參數(shù)8/8/202333在線打標(biāo)8/10/202334在線打標(biāo)8/8/202334激光雕刻精密電子元器件8/10/202335激光雕刻精密電子元器件8/8/202335精密金屬標(biāo)刻

8/10/202336精密金屬標(biāo)刻8/8/202336醫(yī)療器械精密切割在醫(yī)用儀器中，實(shí)用化的典型例子有擴(kuò)張器、內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管等的加工。所謂擴(kuò)張器，就是治療閉塞性疾病的器具的總稱。例如冠狀動脈血管用的擴(kuò)張器。此外，還有膽管、食道、氣管、前列腺用的擴(kuò)張器等。利用擴(kuò)張器治療疾病源于美國。目前，我國沒掌握心血管支架（coronarystent）的加工技術(shù)，進(jìn)口支架價(jià)格昂貴，一個(gè)進(jìn)口支架的價(jià)格就將近2萬元，整個(gè)手術(shù)的費(fèi)用高達(dá)10多萬元，國內(nèi)很多患者不能得到治療。據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計(jì)，我國需要接受心血管手術(shù)的病人已達(dá)400萬人，但全國每年的手術(shù)量尚不足4萬例。8/10/202337醫(yī)療器械精密切割在醫(yī)用儀器中，實(shí)用化的典型例一般地，支架尺寸非常小，比如血管支架的主要參數(shù)為：直徑0.8-2mm、壁厚0.08-0.4mm、網(wǎng)線寬度0.05-0.07mm，切割加工精密+/-5μm。這就要求激光器必須有非常好的光束質(zhì)量（M2接近于1），以及非常小的聚焦光斑直徑（小于15μm）。另外，還要求激光器的穩(wěn)定性好。所有這些，都只有光纖激光器才能達(dá)到要求，比如用YAG激光器切割出來的支架，表面有毛刺現(xiàn)象，而且熱影響區(qū)大，影響了支架的彈性。8/10/202338一般地，支架尺寸非常小，比如血管支架的主要參數(shù)8/10/2023398/8/202339心臟支架的切割及其應(yīng)用8/10/202340心臟支架的切割及其應(yīng)用8/8/2023408/10/2023418/8/202341六、展望光纖激光器的優(yōu)良性能，決定了它比半導(dǎo)體激光器和大型激光器擁有更多的優(yōu)勢，其應(yīng)用范圍越來越廣闊，為滿足快速增長的巨大的市場需求，