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高功率光纤激光器关键技术

  高功率光纤激光器是一种新型光源。在相同输出光功率下,光纤激光器在光束质量、光传输特性、可靠性和尺寸方面都具有很大的优势。光纤激光器具有很长的增益介质,可以很容易地延长以充分吸收泵浦光,这一特性使得光纤激光器能够在低泵浦功率下工作,并确保出色的光束质量和高转换效率。头发丝粗的光纤使光纤激光器能够实现极高的光功率密度(140mW/cm2)。光纤激光器具有较大的表面积/体积比,工作材料的热负荷小,散热特性良好。无需大型额外制冷系统,这给光纤激光器的使用带来了极大的便利。此外,光纤激光器结构简单,易于实现流水线化、批量化生产。因此,高功率光纤激光器的研发和实用技术已成为激光技术领域的热点,并引起了科研人员和行业专家的高度关注。



  高功率光纤激光器关键技术


       1.包层泵浦技术


  包层泵浦技术克服了强泵浦光与单空间模式激光波导之间空间相干性低的问题。由于耦合困难,包层泵浦技术通过双包层光纤来实现。与普通光纤相比,双包层光纤具有内包层,其横向尺寸和数值孔径远大于纤芯,并且对于泵浦光来说是多模的,可以有效提高泵浦光的耦合效率。在内包层传输过程中,多模泵浦光多次穿过纤芯,被纤芯中的稀土离子吸收。这种光纤结构增加了泵浦长度,显着提高了泵浦效率,从而使光纤激光器的输出功率提高了几个数量级。泵浦光的吸收效率与内包层的几何形状和纤芯在包层中的位置有关。典型的内包层结构包括正方形、长方形、圆形、D形、梅花形和偏心形结构。研究结果表明,同心圆形结构的吸收效率最低,而非圆形内包层结构对泵浦光的吸收效率较高,理想情况下可达到100%。


  2.泵浦耦合技术


  高功率光纤激光器的关键技术之一是如何将泵浦源输出的光功率有效地耦合到增益光纤中。传统光纤激光器采用普通单模光纤作为增益介质,耦合效率极低,难以获得高功率光纤激光器。包层泵浦技术的出现,极大地提高了泵浦光的耦合效率,使光纤激光器摆脱了功率低、没有太大应用价值的印象,推动了高功率光纤激光器的发展。但要获得几百瓦甚至几千瓦的光纤激光器,需要更高输出功率的泵浦源(通常是半导体激光器阵列),将半导体激光器阵列输出的几千瓦激光耦合到双包层增益光纤中是困难的并且耦合效率很低。因此,寻找将泵浦光耦合到增益光纤的新技术是一项重要的任务。最好的解决方案是使用树形光纤将多个激光二极管输出的光功率同时耦合到增益光纤中。即每个激光二极管输出的光从多模光纤输出,采用光纤集体熔接技术将多个激光二极管组合起来。将多模光纤熔接到一根光纤中,制成光纤模块。这使得单根光纤的输出能量可以达到数百瓦级别,同时消除了半导体激光器阵列集成模块的散热问题。采用树形光纤模块作为泵浦光进入双包层增益光纤的入口,可以有效地将多个激光二极管输出的光功率耦合到增益光纤的内包层,有效提高泵浦效率。


  3.谐振腔制备技术


  制备合适的光学谐振腔是高功率光纤激光器实用化的又一关键技术。目前高功率光纤激光器的谐振腔主要有两种:一种是对光纤端面进行涂层或采用二向色镜形成谐振腔,这种方法给泵浦光的耦合和光纤激光器的封装带来了很大的困难,不利于光纤激光器的实用化和商业化;另一种是采用光纤光栅作为谐振腔。光纤光栅是一种低损耗器件,具有非常好的波长选择特性,光纤光栅的使用简化了激光器的结构,提高了激光器的信噪比和可靠性,缩小了线宽,提高了光束质量,并且可以通过应力调整来调谐波长。另外,采用光纤光栅作为谐振腔,可以通过锥形光纤将泵浦源尾纤与增益光纤有机焊接在一起,避免了采用二向色镜和透镜组提供激光反馈带来的损耗,从而降低了成本光纤。激光器的阈值提高了输出激光的斜率效率:因此,采用光纤光栅作为谐振腔,不仅使光纤激光器的结构简单紧凑,而且大大提高了泵浦光的耦合效率(高达90%),有利于光纤激光器的实用化。


  延伸阅读:


  高功率光纤激光器作为一种先进的光源技术,具有广泛的关键技术和重要应用,以下是一些主要应用:


  1.工业切割和焊接:高功率光纤激光器在金属加工行业具有显着优势,由于其能量密度高、光束质量好、转换效率高,被广泛应用于精密金属切割(如板材切割)、厚板切割、高精度激光焊接等领域。

  2.航空航天制造:在飞机、航天器的结构件制造中,利用高功率光纤激光器对复杂的三维型材进行切割和钻孔,可以实现轻量化设计,提高材料利用率和生产效率。

  3.军事防御系统:用于导弹制导、激光雷达探测、反无人机系统和其他军事用途,例如作为定向能武器的基础光源或精确测量距离和速度。

  4.科学研究和医疗领域:在生物医学研究中,高功率光纤激光器可用于非线性光学显微镜、激光手术器械、眼科手术(如LASIK)等,同时还可以提供强大的光源支持在实验室物理实验中。

  5.清洁能源领域:例如核聚变研究中的激光惯性约束聚变(ICF)需要极高功率的超短脉冲激光器来压缩和加热燃料目标,以模拟太阳内部的热核反应条件。

  6.增材制造(3D打印):高功率光纤激光器是选择性激光熔化(SLM)和直接能量沉积(DED)等3D打印技术的关键设备,用于金属零件的快速成型和修复。

  7.材料表面处理:包括激光清洗、激光硬化、激光熔覆等工艺,用于提高材料表面性能和防腐能力。

  8.通信和传感技术:虽然高功率光纤激光器主要用于产生高强度激光输出,但通过适当的调整和设计,也可以用于长距离通信和高精度测距传感器。

  9.通讯与传感技术:虽然高功率光纤激光器主要用于产生高强度激光输出,但通过适当调整和设计也可应用于远距离通信和高精度测距传感器等方面。


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