光纤激光器的最新进展及未来开展

发布时间:2021-07-05 12:22:39 作者:乐鱼赛事 来源:乐鱼体育进入

产品概述


 

  具有结构紧凑、巩固耐用、不易失准和易于热办理等长处,一般由激光二极管(LD)泵浦,所用光学元件一般为熔接的方法耦合。泵浦源可所以单根二极管、一个阵列或许许多别离的二极管,经过光纤输出面和耦合器相连接。掺杂光纤运用光纤内部刻写的光纤布拉格光栅作为腔镜。

  光纤激光器中光纤一般为双包层结构,如图1所示。未掺杂的内包层挑选并传输泵浦光。在纤芯中发生受激辐射。经过泵浦,掺杂了稀土元素的纤芯受激起生激光。非圆柱的内包层结构有六角形、D型、矩形等,降低了泵浦光不向纤芯传达的几率。

  光纤激光能够端面泵浦或许旁边面泵浦,如图2所示。端面泵浦是一束或多束泵浦光耦合到光纤端面中去。旁边面泵浦是泵浦光耦合到光纤的一侧,经过耦合器耦合到光纤的内包层中。

  泵浦耦合的要点在于将泵浦光耦合进入内包层,使它与光纤的吸收相匹配,进入纤芯发生粒子束回转,取得纤芯内的受激辐射。依据光纤内的掺杂以及光纤长度,纤芯具有不同的增益。这是规划所需求的泵浦结构所需求考虑的问题。

  单模光纤中会存在功率约束。单模光纤纤芯具有很小的横截面积,成果能够经过高强度光。在高功率密度时,非线性布里渊散射将变得十分严峻,约束kW量级输出功率。假如输出足够高,那么光纤端面将遭到损坏。

  光纤作为作业介质具有很长的效果长度,有利于二极管泵浦,也使得光子转化功率很高,为紧凑、巩固的规划供给了条件。当光纤器材都熔接到一起,就不会有分立的器材需求调理。

  有一些特别结构的光纤激光器。光纤激光器能够完成单通道扩大,其能够一起扩大不同波长光广泛运用于通讯范畴。光纤扩大也用于MOPA结构,意图是发生更高功率的激光输出。另一个比如是光纤扩大自发辐射光源。还有一个比如是拉曼光纤激光器,一些新的研讨正运用氟化物玻璃光纤替代传统的石英光纤。

  但是,一般运用石英玻璃来制作光纤。首要的掺杂元素有镱(Yb)和铒(Er)。Yb中心波长在1030~1080nm间,能取得宽波段的激光输出。Yb没有像Nd相同在很高的密度下发生自猝灭效应,即便它们能发生类似波段的激光,Nd被用于传统激光器Yb却被用于光纤激光器。

  掺铒光纤激光器作业波长为1530~1620nm,归于人眼安全波段。能够倍频发生780nm的激光,这是不能以其他方法取得的波段。而且Yb能够与Er一起掺杂,这样Yb吸收泵浦光并传输能量到Er。铥是别的一种掺杂元素能够发生近红外波段(1750~2100nm)的激光,也是一种人眼安全资料。

  光纤激光是准三能级体系。光子受激跃迁从基态到较高能级,然后光子再跃迁到亚稳态能级,发生激光。这个进程十分高效:如运用940nm泵源泵浦掺Yb光纤,发生1030nm激光的量子数亏本(损耗能量)仅有9%,如表1所示,而用808nm泵源泵浦Nd离子,量子数亏本约为24%。Er能在1480或980nm波段被泵浦,后者不是那么高效,但更为有用。

  总的来说激光功率由两个要素决议。第一是泵源的功率。半导体激光器的电-光转化功率在50%左右,在实验室可到达70%或更高。当泵浦光和激光的吸收峰匹配杰出,那么得到的便是泵浦功率。第二是光-光转化功率。在小光子缺点、高激起、高提取功率的情况下,可取得光-光转化功率60%~70%,此刻电-光功率25%~35%。

  接连光纤激光器可所以单模也可所以多模的。单模发生的高质量光束能够运用在资料范畴或大气传输,多模工业激光则具有高功率。假如运用并不需求发生很高的功率密度,那么多模的总功率较高将成为优势,例如关于切开和焊接的热处理。

  长脉冲激光被称为准接连激光器,发生ms量级的脉冲,占空比为10%。这使得脉冲光具有比接连光高十倍以上的峰值功率,关于钻孔等运用来说十分有利。依据脉宽可将重复频率调制达500Hz。

  调Q光纤激光器脉冲宽度在ns量级到ms量级之间,光纤越长,输出脉冲越宽。由于纤芯横截面积小,非线性效应显着,约束了峰值功率的进步。能够经过传统Q开关取得高峰值功率,也能够经过将光纤Q开关和端面熔接取得。调Q脉冲能够在光纤或许固体中扩大。例如NIF运用光纤作为192路激光的主振荡器,光纤激光器发生的小脉冲被大的掺杂玻璃制成的板条扩大为mJ量级。

  在锁模光纤激光器中,重频取决于增益介质的长度,脉宽取决于增益带宽。能够取得的最短脉宽在50fs左右,典型脉宽为100fs。能够经过振荡器-扩大体系和外部的啁啾脉冲扩大(CPA)以及脉冲紧缩发生更短的脉冲。

  具有小纤芯的光子晶体光纤能够得到很强的非线性效应,用于超接连谱的发生等运用。也能够拉制成大单模纤芯以防止高功率下的非线性效应,用于高功率,并将光纤环绕可消除高阶模。依据非线性效应发生谐波,发生更高频率和更短的波长。也能够使脉冲紧缩,发生频率梳。

  在超接连谱光源中,经过自相位调制,很短的脉冲能发生很宽的接连光谱。例如,在Yb光纤激光器中发生的1050nm、脉宽6ps的脉冲,能够取得从紫外到1600nm的光谱,如图3所示。另一个超接连谱光源作业在红外范畴,由1550nm的掺Er光纤激光器泵浦,所取得光谱跟着脉冲宽度而改动,可达2200nm。

  作为光纤激光器最大的商场,工业界现在最大的爱好便是自动化。运用高强度钢材出产轿车,怎么切开钢材是一大难题。在钢材上钻孔很困难,但是光纤激光器却能够轻松做到。关于资料加工,光纤激光器具有其他激光器所不具备的优势。例如金属关于光纤激光器的近红外波长激光吸收杰出。光束被光纤传输使得机器手能够轻松移动光束的焦点,便利切开和钻孔。

  光纤激光器可满意极点功率需求。美国水兵海上体系司令部上一年测试了水兵激光武器体系(LaWS),该体系具有六路光纤激光器,每一路都能输出5.5kW激光,非相干组成到一路光中经过光束定向器输出,如图4所示。该33kW体系用于射击一架无人机。虽然光束并非单横模,但由于其由规范且简略的元件组成,引起了广泛重视。

  由IPG公司得到的单根光纤所能输出的最高单模功率为10kW。在体系中主振荡器取得了千瓦的激光,耦合到由1018nm激光泵浦的扩大器中。整个体系的巨细约和两台冰箱相同。多模的最高输出也是由IPG公司取得的,为50kW。该体系依据非相干组成,BPP为10,M2到达了33。

  光纤激光在高功率切开和焊接方面也有其他的运用,如替代了电阻焊在高速钢板上的运用,处理了电阻焊形成的资料变形的问题。

  4kW的多模光纤激光器已被用于混凝土切开和钻孔。为什么要用激光切开混凝土呢?由于制作抗震建筑物时,需求慎重对待混凝土。传统的冲击钻孔会使混凝土裂缝并变得软弱,而光纤激光器却能够完成无缝切开。

  调Q光纤激光器可用于资料处理,例如激光打标或许半导体电子产品的制作。也可用于激光雷达,一块手掌巨细的模块,里边就包含了重频50kHz、峰值功率4kW、脉宽5~15ns的眼安全掺铒光纤激光器。

  小功率的光纤激光器在微米或纳米级制作上的运用正在引起广泛重视。关于外表烧蚀,假如脉宽小于35ps,将不会再有资料飞溅、融化,消除切开中切断和其他瑕疵发生。fs范畴对波长不灵敏的非线性效应的激光,不会对周围区域发生热效应,使得资料处理不会对周围区域发生损坏或削弱,而且能够使孔有很大的纵横比。

  也能够对通明资料进行外表加工,例如对人眼。在LASIK手术中为了切开角膜基质层,fs脉冲聚集到人眼邻近,对周围不形成损伤的情况下,在一个可控深度下击穿人眼。角膜基质层能够拉起来供准分子激光切削。超短激光在医学上的其他运用包含皮肤学中的浅穿透、OCT技能等。

  fs光纤激光在科学研讨中的运用包含激光诱导击穿光谱、时刻分辩荧光光谱以及资料研讨。也用于发生fs频率梳。近期频率梳的运用是在未来一代GPS卫星上运用的原子钟,使其对地面上的方位分辩率更准确。

  单频光纤激光器可到达线kHz,该设备十分小,输出光在掺铒光纤输出带,输出功率在10mW到1W之间。它可用于通讯、计量学(如光纤陀螺)和光谱学。

  和其他研讨相同,光纤激光器仍有许多内容需求持续研讨。例如用相干组成或光谱组成的方法,组成光纤激光成为高光束质量的单光束。光纤激光器在工业运用上正在迅速开展,特别是在自动化范畴。透过价格和功能这些改善来看,更有用的飞秒和超接连谱源会呈现。光纤激光器正在推动逾越本身的商场,现已进军其他商场,它也是推动其他激光器变得更好的动力。

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