光纤激光器的应用与发展前景
发布时间: 2016-01-05 13:00   已有 人次浏览   

  1962年界上第一个半导体激光器问世以来,激光器已经有四十余年历史的发展。早期对激光器的研究主要集中在短脉冲输出和扩展可调谐波长范围方面。为了适应光纤通信蓬勃发展的需要1987年英国南安普顿大学及美国贝尔实验室首先证明了掺铒光纤放大器的可行性。如今其已在光纤通信中占有了重要地位。当今,随着光纤通信系统的发展和广泛应用,超快速光电子学,非线性光学,光传感等各种领域的应用研究,得到前所未有的蓬勃发展。由于光纤激光器具有在光束质量上和转换效率上的绝对优势以及其完全无需维护且体积小、稳定性高等特点,已成为第三代激光技术的代表。

  光纤激光器应用范围非常广泛,包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/ 焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。

  光纤激光器的种类

  光纤激光器的种类有很多,按掺杂种类划分有掺铒(Er)、掺钕(Nd)、掺镨(Pr)、掺钬(Ho)、掺镱(Yb)、掺铥(Tm)等。其基本原理是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀有元素,通过直流光激励,使光信号得到放大。

  掺铒光纤激光器简称EDFL(Erbium Doped FiberLaser),是在掺铒光纤放大器(EDFA) 的技术基础上发展起来的。EDFL利用光纤成栅技术把掺铒光纤相隔一定长度的两处写入光栅,两光栅之间相当于一个谐振腔,用泵浦激光激发,铒离子产生增益放大。在光栅的选频作用下,谐振腔反馈某一特定波长的光,从而输出单频激光,再经过光隔离器即能输出线宽窄,功率高和噪声低的激光。EDFL的增益介质是EDF,利用掺铒光纤具有的非线性效应,输入泵浦光,使铒原子的电子能级升高。当发生高能级向低能级的跃迁时,向外辐射出光子。当输入光信号时,辐射光的相位和波长会自发与信号光传输一致这样在输出端就可以得到功率较强的光信号,实现光信号放大。信号光在掺铒光纤的输出过程中被不断放大。用掺铒光纤作成的光纤激光器,是光纤通信中不可缺少的部分。掺镱(Yb)双包层光纤激光器是国际上新近发展的一种新型高功率激光器件,由于其具有光束质量好、效率高、易于散热和易于实现高功率等特点,已成为高精度激光加工、激光雷达系统、光通信及目标指示等领域中相干光源的重要候选者。双包层掺镱激光器的主要激光增益介质是双包层掺镱光纤,因此双包层掺镱光纤的性能直接决定了该类激光器的转换效率和输出功率。

  光纤激光器的应用

  光纤激光器十分适合在连续波或准连续波运转下放大到更高功率,来满足微电子方面的应用需求。在这些应用中,光束质量、精度以及稳定性至关重要。在许多应用中,控制、改变激光加工能量和功率输入,对加工过程起着决定性作用。

  在焊接方面的应用:利用光纤激光优秀的光束质量,获得较长的工作焦距,这就可以通过普通二维振镜系统获得很大的工作范围,这不但简化了设计,同时降低了成本。激光焊接降低了对材料内部组件的应力影响,从而整体大大地提高了产品的合格率。

  在激光打标方面的应用:由于脉冲宽度极短,因此采用低脉冲能量容易抵达极高峰值激光强度。由于强度极高以及激光与物质的交互作用时间极短,热扩散受限制于极小的区域,聚集的激光器能量密度构成材料快速汽化。因此,脉冲光纤激光器可以在激光打标应用中的选择材料表面消融优质、精密的图案。由于沿着扫描途径的两个激光打标点之间的距离与扫描仪速度成正比,与脉冲重复率成反比,因此,当激光扫描仪由数字状态空间伺服机构控制时,高重复率脉冲光纤激光器是设计优质、高速激光打标系统的一个重要部分。

  在工业钻孔中的应用:激光器通过脉冲波形控制实现了很大的灵活性,能在钻孔应用中大显身手。更大的振幅意味着更大的峰值功率。波形WFO提供的更高的峰值功率和脉冲能量,能产生更大直径的孔。改变频率,峰值功率和脉冲能量随之改变,孔径也随之变化。因此微米级的不同孔径,能通过激光器的频率和脉冲特征加以改变。

  在岩石及泥土材料处理中的应用:光纤激光在施工现场的应用方面明显优于任何其它种类的激光,包括在开矿、隧道开凿、切割和岩石及混凝土钻孔等方面。光纤激光能够通过很长的光纤将足够的能量传输到远程的目标。光纤激光超高的电光转换效率(30%),良好的光束质量,车载机动性及设备的稳定性和免维护性等特点使得它在此类应用领域里成为最佳的选择。

  今天,密集波分复用和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长光纤激光器技术、超连续光纤激光器等的进步。同时,多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现,则为低成本地实现Tb/s的DWDM或OTDM传输提供理想的解决方案。就其实现的技术途径来看,采用EDFA放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。

  随着光通信及相关领域技术的飞速发展,光纤激光器技术正在不断向广度和深度方面推进;技术的进步,特别是以光纤光栅、滤波器、光纤技术等为基础的新型光纤器件等的陆续面市,将为光纤激光器的设计提供新的对策和思路。可以预见,光纤激光器必将在未来光通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域中发挥重要作用。光纤激光器作为第三代激光技术的代表,具有其他激光器无可比拟的技术优越性。在短期内,光纤激光器将主要聚焦在高端用途上随光纤激光器的普及,成本的降低以及产能的提高,最终将可能会替代掉全球大部分高功率二氧化碳激光器和绝大部分YAG激光器。

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