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    光纖激光器發展的前世今生

    2021-05-27 11:44:16 來源:
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    導讀:

    早期的光纖激光器效率低、功率低,局限也大,直到出現了可以將泵浦光束傳送到包層的更有效方法。IPG Photonics公司創始人兼首席執行官Valentin Gapontsev,在利用多個單發射極二極管激光器將側邊泵浦光束發送到大面積包層領域,享有“先驅”的盛譽。

    這是一種可以克服以前發射方法局限性的方法——側邊泵浦光束法有助于釋放光纖激光器的真正潛力,開啟了高功率光纖激光器和放大器的新時代,并徹底改變了光纖技術的進一步發展,促進了光纖激光器在工業、科學和醫療設備等不同應用領域的大規模采用。工業光纖激光器的發展可劃分為兩個階段,特征分別是功率合成器和亮度轉換器。

    第一階段的功率合成器包含多個激光二極管泵浦封裝,旨在有效地將它們的多模光組合成無源傳輸光纖。使用冗余的單發射極二極管封裝,可以確保激光器的高可靠性。該激光器的光學腔內有兩個光纖布拉格光柵鏡,位于中央單模芯,是一種摻雜了多種稀土元素的包層高純度光纖。

    這個光學腔將低質量的二極管光轉換為單模激光光束。其中一個光纖布拉格光柵作為全反射器,另一個作為部分反射器或輸出耦合器。多模包層中沒有摻雜其他元素,作用只是散發二極管泵浦光。光纖激光器的固態結構,使它不受灰塵、水分和自由空間空氣擾動等環境因素的影響。

    整體泵送方法的電效率超過50%,單個模塊的單模輸出功率約為2kW-3kW??梢灾苯邮褂没蚪M合使用單個模塊的輸出,以提供超過100 kW的高亮輸出,使得這種光纖激光器可以解決各種工業應用。

    操作方式

    光纖激光器可分為連續波(CW)、準連續波(QCW)、納秒脈沖、超快皮秒或飛秒脈沖等多種光波模式。連續波激光器可在額定最大輸出功率內提供穩定的輸出,可以根據輸出功率調制到50kHz,但調制不會增加它們的峰值功率。連續波激光在許多領域中都有應用,最顯著的莫過于切割和金屬焊接,也可用于釬焊、3D打印、熔覆和熱處理。

    由10個QCW激光器產生的長脈沖可以使脈沖能量和峰值輸出功率增加10倍,長脈沖持續時間為10μs-100000μs。例如,平均功率為300W的QCW激光器,峰值功率為3kW,脈沖能量為30J。QCW激光器主要用于焊接、鉆孔以及特殊切割操作,如切割高反射金屬或其他材料。標準QCW模型機的峰值功率范圍為1kW-20kW,運行成本比可做同等輸出的其他競爭性激光技術低得多。

    納秒脈沖調Q光纖激光器可提供從10W-2kW的平均輸出功率范圍。在1ns-1000ns范圍內,脈沖持續時間可以固定,也可調(用戶可選擇預編程)。典型的激光脈沖能量在10W-300W內,與用于微處理的單模光束質量接近,高達1mJ左右。根據型號不同,這些激光器可在千赫茲到兆赫之間調制。將具有更高平均功率的脈沖激光器用于高速表面處理,脈沖能量可達100mJ,就能實現更大的處理區域。

    超快皮秒和飛秒光纖激光器的脈沖持續時間為200fs至幾個皮秒,平均功率為10W-200W,可用于各種微處理應用,包括金屬和非金屬。

    一個光纖激光器的有源激光核心可以摻雜一個或多個有源原子,就能產生處于幾個光譜范圍中的一個標準輸出

    波長范圍

    在光纖激光器的有源激光核心摻雜一個或多個有源原子,能產生處于幾個光譜范圍中的一個標準輸出(圖3)。例如,摻雜鐿(Yb)原子,可產生1030nm-1080nm之間的輸出;摻雜鉺(Er)原子,產生的波長在1500nm-1570nm之間;摻雜銩(Tm)原子,可產生1900nm-2050nm的光。將這些基本線的頻率增加一倍或三倍,就是能發出綠色光束(515nm- 550nm)和紫外光束(-355nm)的激光器。

    基波鐿鉺的拉曼位移可達范圍擴大到1.15μm-1.8μm。波長的進一步倍頻使得光纖激光器可以在515nm-635 nm的可見光范圍內工作。此外,由摻雜了銩或鉺的連續波光纖激光器泵浦的混合固態激光器,可提供1.9μm至>5μm區間的中紅外輸出。

    光束空間模式

    光纖激光器可以配置各種空間光束模式,以適應幾乎任何應用。這些模式指的是所用單模光纖的特性,而非熱操作點。因此,與其他固態激光器不同的是,光纖激光器會產生相同的光束輪廓,在其整個操作功率范圍內(通常為額定功率的10%到100%),發散度不會變化。

    單模連續波激光器具有近變形限制光束質量,可用于工業應用,要求平均功率高達10kW,最小光斑尺寸在25μm-30μm范圍內。高亮度多模激光器的輸出光纖芯徑在50μm-600μm范圍內,光束質量從2mm×mrad開始。所激發光束的能量分布近似高斯分布或平頂分布,核心直徑可達1mm。

    光纖激光器的光斑能量分布接近高斯分布的單模剖面(a)

    光纖激光器的光斑能量分布可以是平頂多模剖面(b)

    對于特殊應用可能需要通過使用雙光斑模塊、三光斑光束傳輸、光束擺動或光束模式可調(AMB)等解決方案,進一步做時空能量分布。AMB光束模式可調激光器的特點是在光纖激光器的內芯周圍有一個同軸環??瑟毩⑶覄討B地控制中心光束和環形光束的大小和功率。AMB激光器可以提高鉆孔、切割和焊接的效果,對于鋁材的焊接效果特別顯著。在焊接鋁的過程中,通過增加環形光束,可以形成穩定的匙孔,減少或完全消除飛濺、裂縫和氣孔。

    光束模式可調激光器可獨立且動態地控制中心光束和環形光束的大小和功率,從而提高加工質量

    應用及優勢

    自20世紀90年代初以來,光纖激光器在電信、醫療以及各種高端和科學領域的應用越來越廣泛。寬波長范圍、窄線寬、偏振或非偏振發射、短脈寬、單模操作、對環境條件不敏感以及光纖激光器體積小等優勢,使其成為應用于科學領域和政府部門的理想解決方案。在這些領域中,光纖激光器往往能夠應對其他加工技術無法解決的挑戰。

    來到21世紀,工業光纖激光器在汽車、航空航天、重工業和運輸、消費設備、電子、醫療設備、石油和天然氣、核能、光伏、半導體制造等其他材料加工的應用正變得越來越多。

    雖然早期大部分應用以金屬材料加工為主,但也有諸如熔覆與3D打印、熱處理、表面清洗以及各種微加工技術中,包括聚合物、陶瓷等其他非金屬材料的應用,并且正在快速發展。

    在這些行業和應用中,工業光纖激光器已成為性能基準。得益于相對較高的輸出功率和均勻且優異的光束質量,能夠確保加工速度快;其抗振動、抗污染、堅固緊湊的設計、高效的能源效率和高可靠性,讓投資者快速獲得投資回報。


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