常用光纖雷射器簡介

2021-01-19 電子產品世界
1.導言

光纖雷射器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的雷射器,光纖雷射器可在光纖放大器的基礎上開發出來:在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度,造成雷射工作物質的雷射能級「粒子數反轉」,當適當加入正反饋迴路(構成諧振腔)便可形成雷射振蕩輸出。

光纖雷射器應用範圍非常廣泛,包括雷射光纖通訊、雷射空間遠距通訊、工業造船、汽車製造、雷射雕刻雷射打標雷射切割、印刷制輥、金屬非金屬鑽孔/切割/焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接)、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設等等。

2.光纖雷射器的優勢

光纖雷射器作為第三代雷射技術的代表,具有以下優勢:

(1)玻璃光纖製造成本低、技術成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優勢;

(2)玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配,這是由於玻璃基質Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故;

(3)玻璃材料具有極低的體積面積比,散熱快、損耗低,所以上轉換效率較高,雷射閾值低;

(4)輸出雷射波長多:這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多;

(5)可調諧性:由於稀土離子能級寬和玻璃光纖的螢光譜較寬。

(6)由於光纖雷射器的諧振腔內無光學鏡片,具有免調節、免維護、高穩定性的優點,這是傳統雷射器無法比擬的。

(7)光纖導出,使得雷射器能輕易勝任各種多維任意空間加工應用,使機械系統的設計變得非常簡單。

(8)勝任惡劣的工作環境,對灰塵、震蕩、衝擊、溼度、溫度具有很高的容忍度。

(9)不需熱電製冷和水冷,只需簡單的風冷。

(10)高的電光效率:綜合電光效率高達20%以上,大幅度節約工作時的耗電,節約運行成本。

(11)高功率,目前商用化的光纖雷射器是六千瓦。

3.高功率的光纖雷射器及其包層泵浦技術

雙包層光纖的出現無疑是光纖領域的一大突破,它使得高功率的光纖雷射器和高功率的光放大器的製作成為現實。自1988年E Snitzer首次描述包層泵浦光纖雷射器以來,包層泵浦技術已被廣泛地應用到光纖雷射器和光纖放大器等領域,成為製作高功率光纖雷射器首選途徑。

包層泵浦技術,由四個層次組成:①光纖芯;②內包層;③外包層;④保護層。如圖(1)所示,將泵光耦合到內包層(內包層一般採用異形結構,有橢圓形、方形、梅花形、D形及其六邊形等等),光在內包層和外包層(一般設計為圓形) 之間來回反射,多次穿過單模纖芯被其吸收。這種結構的光纖不要求泵光是單模雷射,而且可對光纖的全長度泵浦,因此可選用大功率的多模雷射二極體陣列作泵源,將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內,大大提高了泵浦效率。

包層泵浦技術特性決定了該類雷射器有以下幾方面的突出性能。

1、高功率

一個多模泵浦二極體模塊組可輻射出100瓦的光功率,多個多模泵浦二極體並行設置,即可允許設計出很高功率輸出的光纖雷射器。

2、無需熱電冷卻器

這種大功率的寬面多模二極體可在很高的溫度下工作,只須簡單的風冷,成本低。

3、很寬的泵浦波長範圍

高功率的光纖雷射器內的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素,有一個寬且又平坦的光波吸收區(930-970nm),因此,泵浦二極體不需任何類型的波長穩定裝置

4、效率高

泵浦光多次橫穿過單模光纖纖芯,因此其利用率高。

5、高可靠性

多模泵浦二極體比起單模泵浦二極體來其穩定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得雷射器的斷面上的光功率密度很低且通過活性面的電流密度亦很低。這樣一來,泵浦二極體其可靠運轉壽命超過100萬小時。

目前實現包層泵浦光纖雷射器的技術概括起來可分為線形腔單端泵浦、線形腔雙端泵浦、全光纖環形腔雙包層光纖雷射器三大類,不同特色的雙包層光纖雷射器可由該三種基本類型拓展得到。

OFC-2002的一篇文獻採用如圖2所示腔體結構,實現了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W,傾斜效率高達85%的新型包層泵浦光纖雷射器[1]。在產品技術方面,美國IPG公司異軍突起,已開發出700W的摻鐿雙包層光纖雷射器,並宣稱將推出2000W的光纖雷射器。

4.新型的光纖雷射器技術

早期對雷射器的研製主要集中在研究短脈衝的輸出和可調諧波長範圍的擴展方面。今天,密集波分復用(DWDM)和光時分復用技術的飛速發展及日益進步加速和刺激著多波長光纖雷射器技術、超連續光纖雷射器等的進步。同時,多波長光纖雷射器和超連續光纖雷射器的出現,則為低成本地實現Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實現的技術途徑來看,採用EDFA放大的自發輻射、飛秒脈衝技術、超發光二極體等技術均見報導。

5.我國光纖雷射器目前研究進展

2002年南開大學報導了在摻Yb3 + 雙包層光纖器中得到了脈寬4. 8ns 的自調Q 脈衝輸出和混合調Q 雙包層光纖雷射中得到峰值功率大於8kW ,脈寬小於2ns 的脈衝輸出。

2003年南開大學報導了利用脈衝泵浦獲得100kW 峰值功率的調Q 脈衝,以及得到的60nm 可調諧的調Q 脈衝。

2003年11月20日報導,上海科學家在雷射領域取得新成果,成功開發出輸出功率高達107W的光纖雷射器。此雷射器的全稱為「高功率摻鐿雙包層光纖雷射器」,與目前已有的雷射器相比它的維護費用和功率消耗都要低得多,壽命是普通雷射器的幾十倍。該課題組的負責人之一樓祺洪研究員告訴記者,雷射列印有著廣泛的應用前景,與市民生活直接相關的如食品的生產日期、防偽標誌等,若以雷射列印代替現在的油墨列印清晰度高、永不褪色、難以仿冒、利於環保,具有國際流行的新趨勢。上海科學家研製的光纖雷射器使光纖雷射輸出功率又上升了一個新臺階,最大輸出功率達107W,已經遙遙領先於全國同行。

2004年,南開大學又報導了連續泵浦206kW峰值功率的調Q 脈衝。

2004年12月3日,烽火通信報導,繼推出雷射輸出功率達100W以上的雙包層摻鐿光纖後,經過艱苦的攻關再創佳績,將該類新型光纖的輸出功率成功提高至440W,達到國際領先水平。

這是烽火通信在特種光纖領域邁出的重要一步,同時也是我國在高功率雷射器用光纖領域的重大突破。摻鐿雙包層光纖雷射器是國際上新近發展的一種新型高功率雷射器件,由於其具有光束質量好、效率高、易於散熱和易於實現高功率等特點,近年來發展迅速,並已成為高精度雷射加工、雷射雷達系統、光通信及目標指示等領域中相干光源的重要候選者。雙包層摻鐿雷射器的主要雷射增益介質是雙包層摻鐿光纖,因此雙包層摻鐿光纖的性能直接決定了該類雷射器的轉換效率和輸出功率。烽火通信作為國內唯一一家進行雙包層摻鐿光纖研究的單位,在成功推出輸出功率達100W以上的完全可商用的雙包層摻鐿光纖產品後,又加大的研發力度,使得其輸出功率實現440W以上,達到國際領先水平。

6.結論

光纖雷射器作為第三代雷射技術的代表,具有其他雷射器無可比擬的技術優越性。不過,我們認為,在短期內,光纖雷射器將主要聚焦在高端用途上隨光纖雷射器的普及,成本的降低以及產能的提高,最終將可能會替代掉全球大部分高功率 CO2雷射器和絕大部分YAG雷射器。

相關焦點

  • 中紅外超快光纖雷射器
    中紅外光纖雷射器材料的進一步研究的問題:改進提純工藝,降低玻璃和光纖光學損耗。稀土離子在中紅外區的發光要求基質材料具有很低的聲子能量。常規的氧化物玻璃包括重金屬氧化物玻璃都無法滿足這一條件,無氧玻璃(包括氟化物和硫化物玻璃)因此受到重視。
  • ...正式參評「維科杯·OFweek2020年度雷射行業光纖/碟片雷射器...
    目前,上海飛博雷射科技有限公司 已經正式參評「維科杯·OFweek2020年度雷射行業光纖/碟片雷射器技術創新獎」。企業簡介光纖雷射器、光電器件、機電設備的生產和銷售,以及貨物和技術的進出口業務。參選獎項:維科杯·OFweek2020年度雷射行業光纖/碟片雷射器技術創新獎參選產品:點環(牛眼)光斑光纖雷射器
  • 影響調Q光纖雷射器性能的重要因素
    作者:黃琳、劉永智  20世紀80年代後期出現的包層泵浦技術,通過光纖內包層耦合泵浦能量大大提高了光纖雷射器入纖泵浦能量和輸出雷射能量。目前,連續雷射輸出功率已高達10kW。但是許多應用領域需要脈衝雷射,採用調Q技術可以實現短脈衝雷射的輸出。
  • 高功率光纖雷射器廠商思創優光獲投資
    打開APP 高功率光纖雷射器廠商思創優光獲投資 MEMS 發表於 2020-12-23 14:35:32        公司官網顯示,思創優光率先提出了光纖雷射器模塊化、器件化理念,有效降低了高功率光纖雷射器門檻,促進了高功率光纖雷射器獲得更廣泛的應用。公司由英美留學歸國博士及行業精英共同創建,團隊成員擁有非常豐富的高功率光纖雷射器研發、生產和管理經驗。
  • 光纖雷射器研發企業思創雷射獲新投資
    據天眼查App顯示,四川思創雷射科技有限公司成立於2017年,是一家專業從事高功率連續光纖雷射器、高功率脈衝光纖雷射器及核心器件研發、生產、服務於一體的高新技術企業。  公司官網顯示,思創雷射率先提出了光纖雷射器模塊化、器件化理念,有效降低了高功率光纖雷射器門檻,促進了高功率光纖雷射器獲得更廣泛的應用。
  • 解讀光纖雷射器|20KW與12KW切割應用效率與成本收益
    自2013年,銳科攻克萬瓦雷射器核心技術,研製成功中國首臺萬瓦連續光纖雷射器,到2018年12000W雷射器實現量產,20000W光纖雷射器及其核心器件研發項目通過湖北省科技廳組織的專家驗收,銳科雷射在高功率連續光纖雷射器方面不斷做出突破,12000W雷射器銷量國內領先,並得到了廣大用戶的一致好評。
  • 超快光纖雷射技術:波長在1.76微米的全光纖摻銩光纖雷射器
    另一方面,還可以使用基於GeO2-SiO2玻璃的摻鉍光纖(BDF)作為增益光纖來開發1700nm附近的光纖雷射器,但是由於1700 nm處的增益較低(<1dB / m),所以所需BDF的長度較長,較長的光纖又會積累過量的非線性相移,最終可獲得的脈衝能量較低,遠遠不能滿足3PM對於光源的要求。
  • 光纖雷射器行業深度報告:價格戰加速行業發展,垂直整合強者恆強
    雙包層光纖是由摻雜纖芯、內包層、外包層、保護層 4 部分組成,相比常規光纖多了一個可以傳輸泵浦光的內包層。自 1988 年雙包層光纖雷射器問世以來,30 年間光纖雷射器經歷飛速發展,光纖雷射器輸出功率跨時代提升,從最初的瓦級達到目前單纖單模萬瓦級輸出功率,合束後的光纖雷射器輸出功率也已達 100KW 級。
  • 獨家採訪|全球高功率光纖雷射器和放大器的領導者——IPG
    阿帕奇(北京)光纖雷射技術有限公司IPG光子公司是全球高功率光纖雷射器和放大器的領導者。始創於1990年,它倡導將基於有源光纖的雷射器推廣應用於材料加工、通訊、醫療、科研等多種先進領域,並使其商業化。利用Valentin Gapontsev博士和Igor Samartsev博士聯合開發的側面泵浦技術,多個泵浦二極體發出的光被高效地耦合到有源增益光纖的包層中。泵浦光在包層內進行多次反射,同時不斷穿過單模纖芯,在纖芯中泵浦被稀土離子吸收和再次發射。這種簡潔的機制以極高的效率將多模二極體光轉換為單模光纖雷射器光。
  • 上海光機所在鎖模光纖雷射器光譜控制技術研究中取得進展
    中國科學院上海光學精密機械研究所高功率雷射物理聯合實驗室在鎖模光纖雷射器光譜控制技術研究中取得新進展,分析了增益不均勻性、無源器件透射譜等腔內光譜整形效應對鎖模光纖雷射器運行狀態的影響,同時通過對腔內的Lyot濾波函數的優化,增強了鎖模雷射器的自啟動能力和穩定性,實現了鎖模光譜的優化控制。
  • 光纖雷射器泵浦光源解讀 為什麼目前基本上都使用976nm泵源
    > 泵浦光源(簡稱泵源)作為光纖雷射器的核心器件,對雷射器的功能和性能無疑都有著至關重要的決定性作用。 1 目前1μm光纖雷射器泵浦光源有哪些? 飛博雷射高級研發人員答: 1962年,H.W.Etzel等人成功研製出第1臺摻鐿離子(Yb3+)的光纖雷射器,即目前最常見的1μm波長(1.064μm/1.080μm)光纖雷射器?
  • RP Fiber Power 摻釔光纖雷射器,自動解算輸出波長
    文件:Yb fiber laser , automatic lambda .fpw該範例為摻釔光纖雷射器模型,可自動計算雷射器輸出波長。因此,需定義多個信道,波長間隔為5nm,軟體將分析給定條件下哪個信道輻射雷射。
  • 飛博雷射榮獲「維科杯·OFweek2020年度雷射行業光纖雷射器技術...
    其中,上海飛博雷射科技有限公司憑藉點環(牛眼)光斑光纖雷射器成功奪得「維科杯·OFweek2020年度雷射行業光纖雷射器技術創新獎」。上海飛博雷射科技有限公司奪得「光纖雷射器技術創新獎」飛博雷射產品圖片據了解,由上海飛博雷射研發,高效率、可靠性強、易維護的點環(牛眼)光斑6KW及以上光纖雷射器是國內目前首家推出,有效降低焊接飛濺的雷射器。
  • 通快專訪:光纖碟片雷射器孰優孰劣?為何能佔領EUV光刻機光源市場?
    眾所周知,光纖雷射器的模塊化結構使其在功率實現上具有極大優勢,可以形成百瓦、一千瓦、兩千瓦這樣很細的不同功率的產品線,同時光纖耦合技術的成熟也使得功率上萬變得非常容易,目前市面上已有多家企業推出3萬瓦甚至更高功率的光纖雷射器產品。同時,光纖雷射器的光束質量較好,在切割應用上有明顯優勢。
  • 2019光纖雷射器市場格局變化:IPG銳科此消彼長 僅4家企業份額擴大
    近年來,光纖雷射器的工業化應用無疑成了雷射產業發展的最大動力,中國的巨大市場則是光纖雷射器持續發展的重要保證。然而,自2018年開始,我國光纖雷射器市場整體增速開始下降,據《2020中國雷射產業發展報告》(以下簡稱《報告》)最新發布的數據顯示,近兩年我國光纖雷射器市場增長率均為個位數,2019年銷售總額超過82.6億元。
  • 雷射器原理
    這種雷射器的工作介質是在作為基質材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子,除了前面介紹用紅寶石和玻璃外,常用的還有釔鋁石榴石(YAG)晶體中摻入三價釹離子的雷射器,它發射1060nm的近紅外雷射。固體雷射器一般連續功率可達100W以上,脈衝峰值功率可達109W。
  • IPG將於雷射在線展發布新品:全球體積最小的4kW連續光纖雷射器
    在這樣的背景下,全球光纖雷射器的領軍者IPG將結合「OFweek2020(第六屆)中國雷射在線展會」重磅推出新產品——YLR-4000機架式單模塊雷射器。在功率競爭趨於白熱化的當下,提高雷射器的電光轉換效率成了在競爭中取得優勢的關鍵。
  • 光電子器件在光纖通信中的應用及相關企業介紹
    2、光纖通信簡介光纖通信是以光波作為信息載體,以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。常用的光源有兩類,一類是半導體雷射器,另一類是發光二極體,它們顯著的特點是體積小、使用靈活,能夠實現載流子的成功注入,幫助工作人員控制發送器的實際輸出功率。雷射二極體又被人們簡稱為LD,其在有緣層的包裹材料使用中,同時涵蓋了低折射率和寬帶隙兩方面內容。LD不但能夠實現對注入有緣區域電信號的有效限制,將其控制在規範區域內進行輸出作業,還能夠有效產生波導現象。
  • 半導體雷射器軍事用途
    另一種雷射制導方法是光纖制導。通過一根放出的光纖把傳感器的信息傳送到飛彈控制器, 觀察所顯示的圖像並通過同一光纖往回發送控制指令,以達到控制操縱飛彈的目的。  雷射測距:主要用於反坦克武器以及航空、航天等領域。測距儀採用半導體雷射器作光源具有隱蔽性,略加改進, 還可測量車輛之間的距離並進行數字顯示, 在低於所需安全係數時發出警報。半導體雷射夜視儀和雷射夜視監測儀也得到重要應用。
  • 光纖雷射噴碼機的筆記
    羅列了光纖雷射器的九個小的知識點幫助自己記憶。光纖雷射噴碼機中的光纖雷射器是指用摻稀土元素光纖作為增益介質的雷射器。主要泵源、耦合器、摻稀土元素光纖、諧振腔等部件構成。稀土元素(釹Nd3+、鉺Er3+,鐿Yb3+、銩Tm3+等,增益介質:處於粒子數反轉態的介質。在增益介質內,光強隨著傳播距離按指數增加。