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光纖激光器的應用與發展前景

來源:科信激光  發布時間:2020-06-02

     1962年界上第一個半導體激光器問世以來,激光器已經有四十余年歷史的發展。早期對激光器的研究主要集中在短脈沖輸出和擴展可調諧波長范圍方面。為了適應光纖通信蓬勃發展的需要1987年英國南安普頓大學及美國貝爾實驗室首先證明了摻鉺光纖放大器的可行性。如今其已在光纖通信中占有了重要地位。當今,隨著光纖通信系統的發展和廣泛應用,超快速光電子學,非線性光學,光傳感等各種領域的應用研究,得到前所未有的蓬勃發展。由于光纖激光器具有在光束質量上和轉換效率上的絕對優勢以及其完全無需維護且體積小、穩定性高等特點,已成為第三代激光技術的代表。
    光纖激光器應用范圍非常廣泛,包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/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。光纖激光器的種類
    光纖激光器的種類有很多,按摻雜種類劃分有摻鉺(Er)、摻釹(Nd)、摻鐠(Pr)、摻鈥(Ho)、摻鐿(Yb)、摻銩(Tm)等。其基本原理是在光纖的纖芯中摻入能產生激光的稀有元素,通過直流光激勵,使光信號得到放大。
    摻鉺光纖激光器簡稱EDFL(Erbium Doped FiberLaser),是在摻鉺光纖放大器(EDFA) 的技術基礎上發展起來的。EDFL利用光纖成柵技術把摻鉺光纖相隔一定長度的兩處寫入光柵,兩光柵之間相當于一個諧振腔,用泵浦激光激發,鉺離子產生增益放大。在光柵的選頻作用下,諧振腔反饋某一特定波長的光,從而輸出單頻激光,再經過光隔離器即能輸出線寬窄,功率高和噪聲低的激光。EDFL的增益介質是EDF,利用摻鉺光纖具有的非線性效應,輸入泵浦光,使鉺原子的電子能級升高。當發生高能級向低能級的躍遷時,向外輻射出光子。當輸入光信號時,輻射光的相位和波長會自發與信號光傳輸一致這樣在輸出端就可以得到功率較強的光信號,實現光信號放大。信號光在摻鉺光纖的輸出過程中被不斷放大。用摻鉺光纖作成的光纖激光器,是光纖通信中不可缺少的部分。摻鐿(Yb)雙包層光纖激光器是國際上新近發展的一種新型高功率激光器件,由于其具有光束質量好、效率高、易于散熱和易于實現高功率等特點,已成為高精度激光加工、激光雷達系統、光通信及目標指示等領域中相干光源的重要候選者。雙包層摻鐿激光器的主要激光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激光器的轉換效率和輸出功率。 光纖激光器的應用    光纖激光器十分適合在連續波或準連續波運轉下放大到更高功率,來滿足微電子方面的應用需求。在這些應用中,光束質量、精度以及穩定性至關重要。在許多應用中,控制、改變激光加工能量和功率輸入,對加工過程起著決定性作用。
    在焊接方面的應用:利用光纖激光優秀的光束質量,獲得較長的工作焦距,這就可以通過普通二維振鏡系統獲得很大的工作范圍,這不但簡化了設計,同時降低了成本。激光焊接降低了對材料內部組件的應力影響,從而整體大大地提高了產品的合格率。
    在激光打標方面的應用:由于脈沖寬度極短,因此采用低脈沖能量容易抵達極高峰值激光強度。由于強度極高以及激光與物質的交互作用時間極短,熱擴散受限制于極小的區域,聚集的激光器能量密度構成材料快速汽化。因此,脈沖光纖激光器可以在激光打標應用中的選擇材料表面消融優質、精密的圖案。由于沿著掃描途徑的兩個激光打標點之間的距離與掃描儀速度成正比,與脈沖重復率成反比,因此,當激光掃描儀由數字狀態空間伺服機構控制時,高重復率脈沖光纖激光器是設計優質、高速激光打標系統的一個重要部分。
    在工業鉆孔中的應用:激光器通過脈沖波形控制實現了很大的靈活性,能在鉆孔應用中大顯身手。更大的振幅意味著更大的峰值功率。波形WFO提供的更高的峰值功率和脈沖能量,能產生更大直徑的孔。改變頻率,峰值功率和脈沖能量隨之改變,孔徑也隨之變化。因此微米級的不同孔徑,能通過激光器的頻率和脈沖特征加以改變。
    在巖石及泥土材料處理中的應用:光纖激光在施工現場的應用方面明顯優于任何其它種類的激光,包括在開礦、隧道開鑿、切割和巖石及混凝土鉆孔等方面。光纖激光能夠通過很長的光纖將足夠的能量傳輸到遠程的目標。光纖激光超高的電光轉換效率(30%),良好的光束質量,車載機動性及設備的穩定性和免維護性等特點使得它在此類應用領域里成為最佳的選擇。
    今天,密集波分復用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激光器技術、超連續光纖激光器等的進步。同時,多波長光纖激光器和超連續光纖激光器的出現,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,采用EDFA放大的自發輻射、飛秒脈沖技術、超發光二極管等技術均見報道。
    隨著光通信及相關領域技術的飛速發展,光纖激光器技術正在不斷向廣度和深度方面推進;技術的進步,特別是以光纖光柵、濾波器、光纖技術等為基礎的新型光纖器件等的陸續面市,將為光纖激光器的設計提供新的對策和思路。可以預見,光纖激光器必將在未來光通信、軍事、工業加工、醫療、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領域中發揮重要作用。光纖激光器作為第三代激光技術的代表,具有其他激光器無可比擬的技術優越性。在短期內,光纖激光器將主要聚焦在高端用途上隨光纖激光器的普及,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二氧化碳激光器和絕大部分YAG激光器。


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