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简述光纤激光器的技术发展
来源:中国光学电子行业网 | 作者:it-101 | 发布时间: 1100天前 | 4370 次浏览 | 分享到:
早期的光纤激光器效率低、功率低，局限也大，直到出现了可以将泵浦光束传送到包层的更有效方法。IPG Photonics公司创始人兼首席执行官Valentin Gapontsev，在利用多个单发射极二极管激光器将侧边泵浦光束发送到大面积包层领域，享有“先驱”的盛誉。

早期的光纤激光器效率低、功率低，局限也大，直到出现了可以将泵浦光束传送到包层的更有效方法。IPG Photonics公司创始人兼首席执行官Valentin Gapontsev，在利用多个单发射极二极管激光器将侧边泵浦光束发送到大面积包层领域，享有“先驱”的盛誉。

这是一种可以克服以前发射方法局限性的方法——侧边泵浦光束法有助于释放光纤激光器的真正潜力，开启了高功率光纤激光器和放大器的新时代，并彻底改变了光纤技术的进一步发展，促进了光纤激光器在工业、科学和医疗设备等不同应用领域的大规模采用。工业光纤激光器的发展可划分为两个阶段，特征分别是功率合成器和亮度转换器。

第一阶段的功率合成器包含多个激光二极管泵浦封装，旨在有效地将它们的多模光组合成无源传输光纤。使用冗余的单发射极二极管封装，可以确保激光器的高可靠性。该激光器的光学腔内有两个光纤布拉格光栅镜，位于中央单模芯，是一种掺杂了多种稀土元素的包层高纯度光纤。

这个光学腔将低质量的二极管光转换为单模激光光束。其中一个光纤布拉格光栅作为全反射器，另一个作为部分反射器或输出耦合器。多模包层中没有掺杂其他元素，作用只是散发二极管泵浦光。光纤激光器的固态结构，使它不受灰尘、水分和自由空间空气扰动等环境因素的影响。

整体泵送方法的电效率超过50%，单个模块的单模输出功率约为2kW-3kW。可以直接使用或组合使用单个模块的输出，以提供超过100 kW的高亮输出，使得这种光纤激光器可以解决各种工业应用。

操作方式

光纤激光器可分为连续波（CW）、准连续波（QCW）、纳秒脉冲、超快皮秒或飞秒脉冲等多种光波模式。连续波激光器可在额定最大输出功率内提供稳定的输出，可以根据输出功率调制到50kHz，但调制不会增加它们的峰值功率。连续波激光在许多领域中都有应用，最显著的莫过于切割和金属焊接，也可用于钎焊、3D打印、熔覆和热处理。

由10个QCW激光器产生的长脉冲可以使脉冲能量和峰值输出功率增加10倍，长脉冲持续时间为10?s-100000?s。例如，平均功率为300W的QCW激光器，峰值功率为3kW，脉冲能量为30J。QCW激光器主要用于焊接、钻孔以及特殊切割操作，如切割高反射金属或其他材料。标准QCW模型机的峰值功率范围为1kW-20kW，运行成本比可做同等输出的其他竞争性激光技术低得多。

纳秒脉冲调Q光纤激光器可提供从10W-2kW的平均输出功率范围。在1ns-1000ns范围内，脉冲持续时间可以固定，也可调（用户可选择预编程）。典型的激光脉冲能量在10W-300W内，与用于微处理的单模光束质量接近，高达1mJ左右。根据型号不同，这些激光器可在千赫兹到兆赫之间调制。将具有更高平均功率的脉冲激光器用于高速表面处理，脉冲能量可达100mJ，就能实现更大的处理区域。

超快皮秒和飞秒光纤激光器的脉冲持续时间为200fs至几个皮秒，平均功率为10W-200W，可用于各种微处理应用，包括金属和非金属。

一个光纤激光器的有源激光核心可以掺杂一个或多个有源原子，就能产生处于几个光谱范围中的一个标准输出

波长范围

在光纤激光器的有源激光核心掺杂一个或多个有源原子，能产生处于几个光谱范围中的一个标准输出（图3）。例如，掺杂镱（Yb）原子，可产生1030nm-1080nm之间的输出；掺杂铒（Er）原子，产生的波长在1500nm-1570nm之间；掺杂铥（Tm）原子，可产生1900nm-2050nm的光。将这些基本线的频率增加一倍或三倍，就是能发出绿色光束（515nm- 550nm）和紫外光束（-355nm）的激光器。

基波镱铒的拉曼位移可达范围扩大到1.15?m-1.8?m。波长的进一步倍频使得光纤激光器可以在515nm-635 nm的可见光范围内工作。此外，由掺杂了铥或铒的连续波光纤激光器泵浦的混合固态激光器，可提供1.9?m至>5?m区间的中红外输出。

光束空间模式

光纤激光器可以配置各种空间光束模式，以适应几乎任何应用。这些模式指的是所用单模光纤的特性，而非热操作点。因此，与其他固态激光器不同的是，光纤激光器会产生相同的光束轮廓，在其整个操作功率范围内（通常为额定功率的10%到100%），发散度不会变化。

单模连续波激光器具有近变形限制光束质量，可用于工业应用，要求平均功率高达10kW，最小光斑尺寸在25?m-30?m范围内。高亮度多模激光器的输出光纤芯径在50?m-600?m范围内，光束质量从2mm×mrad开始。所激发光束的能量分布近似高斯分布或平顶分布，核心直径可达1mm。

光纤激光器的光斑能量分布接近高斯分布的单模剖面（a）

光纤激光器的光斑能量分布可以是平顶多模剖面（b）

对于特殊应用可能需要通过使用双光斑模块、三光斑光束传输、光束摆动或光束模式可调（AMB）等解决方案，进一步做时空能量分布。AMB光束模式可调激光器的特点是在光纤激光器的内芯周围有一个同轴环。可独立且动态地控制中心光束和环形光束的大小和功率。AMB激光器可以提高钻孔、切割和焊接的效果，对于铝材的焊接效果特别显著。在焊接铝的过程中，通过增加环形光束，可以形成稳定的匙孔，减少或完全消除飞溅、裂缝和气孔。

光束模式可调激光器可独立且动态地控制中心光束和环形光束的大小和功率，从而提高加工质量

应用及优势

自20世纪90年代初以来，光纤激光器在电信、医疗以及各种高端和科学领域的应用越来越广泛。宽波长范围、窄线宽、偏振或非偏振发射、短脉宽、单模操作、对环境条件不敏感以及光纤激光器体积小等优势，使其成为应用于科学领域和政府部门的理想解决方案。在这些领域中，光纤激光器往往能够应对其他加工技术无法解决的挑战。

来到21世纪，工业光纤激光器在汽车、航空航天、重工业和运输、消费设备、电子、医疗设备、石油和天然气、核能、光伏、半导体制造等其他材料加工的应用正变得越来越多。

虽然早期大部分应用以金属材料加工为主，但也有诸如熔覆与3D打印、热处理、表面清洗以及各种微加工技术中，包括聚合物、陶瓷等其他非金属材料的应用，并且正在快速发展。

在这些行业和应用中，工业光纤激光器已成为性能基准。得益于相对较高的输出功率和均匀且优异的光束质量，能够确保加工速度快；其抗振动、抗污染、坚固紧凑的设计、高效的能源效率和高可靠性，让投资者快速获得投资回报。

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