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全面解读光纤和光纤激光器的应用发展

时间:2020-02-14 来源:新特光电 访问量:1020

光纤是光导纤维的简称,通常是一种圆柱形的光波波导。它利用全反射的原理把光波约束在纤芯,并引导光波沿着光纤轴线方向传输。用石英玻璃代替铜线改变了世界。

光纤作为一种传导光波的介质,自1966年被高锟提出以来,凭借其通信容量大、抗干扰能力强、传输损耗低、中继距离长、保密性能好、适应能力强、体积小、重量轻、原材料来源丰富等优点被广泛应用。随着光纤性能的日趋完美和实用化,光纤对电信行业的变革产生了革命性的推动,它已经基本取代铜线成了现代通信中的核心组成部分。

光纤通信系统是一种以光为信息载波、光纤为导波介质的通信系统,光纤传输信息时,把电信号转变为光信号,然后在光纤内部进行传输。作为一项新兴的通信技术,光纤通信从一开始就显示出了无比的优越性,引起了人们的极大兴趣和广泛关注。光纤在通信中的广泛应用也同时促进了光纤放大器和光纤激光器的飞速发展。除了通信领域,光纤系统在医学、传感等领域也有广泛的应用。

光纤

光纤激光器的增益介质为有源光纤.按其结构可以分为单模光纤,双包层光纤和光子晶体光纤三种。单模光纤单模光纤由纤芯、包层和涂覆层组成,其中纤芯材料的折射率n1,比包层材料折射率n2要高.当入射光的入射角大于临界角时,光束在纤芯内发生全发射,因而光纤能够将光束缚在纤芯内传播。单模光纤的内包层对多模泵浦光不能起到约束作用,并且纤芯的数值孔径低,因此只能采用单模泵浦光耦合进入纤芯才能获得激光输出。早期的光纤激光器都是采用这种单模光纤,导致耦合效率低,激光器只有毫瓦量级的输出功率。

全面解读光纤和光纤激光器的应用发展

以光纤作为激光增益介质的激光器被称为光纤激光器。与其他类型的激光器一样,由增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分组成。光纤激光器使用纤芯中掺杂有稀土元素的有源光纤作为增益介质。一般采用半导体激光器作为泵浦源。而谐振腔则一般利用反射镜、光纤端面、光纤环形镜或光纤光栅等器件构成。

根据光纤激光器的时域特性,可以分为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器;根据谐振腔结构不同,可以分为线形腔光纤激光器、分布反馈式光纤激光器和环形腔光纤激光器;根据增益光纤和泵浦方式的不同,可以分为单包层光纤激光器(纤芯泵浦)和双包层光纤激光器(包层泵浦)。

高功率光纤激光器的特点

高功率光纤激光器的优点具体表现如下。

(1)光束质量好。光纤的波导结构决定了光纤激光器易于获得单横模输出,且受外界因素影响很小,能够实现高亮度的激光输出。

(2)高效率。光纤激光器通过选择发射波长和掺杂稀土元素吸收特性相匹配的半导体激光器为泵浦源,可以实现很高的光一光转化效率。对于掺镱的高功率光纤激光器,一般选择915纳米或975纳米的半导体激光器,由于Yb3+的能级结构简单,上转换、激发态吸收和浓度猝灭等现象较少出现,荧光寿命较长,能够有效储存能量以实现高功率运作。商业化光纤激光器的总体电光效率高达25%,有利于降低成本,节能环保。

(3)散热特性好。光纤激光器是采用细长的掺杂稀土元素光纤作为激光增益介质的,其表面积和体积比非常大。约为固体块状激光器的1000倍,在散热能力方面具有天然优势。中低功率情况下无需对光纤进行特殊冷却,高功率情况下采用水冷散热,也可以有效避免固体激光器中常见的由于热效应引起的光束质量下降及效率下降。

(4)结构紧凑,可靠性高。由于光纤激光器采用细小而柔软的光纤作为激光增益介质,有利于压缩体积、节约成本。泵浦源也是采用体积小、易于模块化的半导体激光器,商业化产品一般可带尾纤输出,结合光纤布拉格光栅等光纤化的器件,只要将这些器件相互熔接即可实现全光纤化,对环境扰动免疫能力高,具有很高的稳定性,可节省维护时间和费用。

高功率光纤激光器也有难以克服的缺点:一是易受非线性效应的制约。光纤激光由于其波导的几何结构,有效长度较长,各种非线性效应的阈值较低。一些有害的非线性效应如受激拉曼散射(SRS)、自相位调制(SPM)等会造成相位的起伏和频谱上能量的转移,甚至是激光系统的损伤,限制了高功率光纤激光器的发展。二是光子暗化效应。随着泵浦作用时间的增加,光子暗化效应会导致高掺杂浓度的掺稀土元素光纤的功率转换效率单调不可逆地下降,制约着高功率光纤激光器的长期稳定性和使用寿命,这一点在掺镱的高功率光纤激光器中尤为明显。

高功率光纤激光器的典型应用

光纤激光器因其光束质量好、电光效率高、结构紧凑、可靠性好等优点,在工业加工、医疗、遥感、安防、科研等领域有全方位的优异表现。

在工业领域,按照输出功率可以将光纤激光器划分为三个层次:低功率光纤激光器(<50瓦),主要应用于微结构加工、激光打标、调阻、精密钻孔、金属雕刻等;中功率光纤激光器(50~500瓦),主要应用于薄金属板的打孔、焊接、切割和表面处理;高功率光纤激光器(>1000瓦),主要应用于厚金属板的切割、金属表面涂覆、特殊板材的三维加工等。光纤的柔性特征,能够很好地与机器手臂结合起来,满足各种复杂工业环境的应用要求。近年来兴起的3D打印技术,尤其需要这种高亮度的激光系统。

在医疗领域,最理想的激光波长是1.3微米,可用于诊断成像;1.5微米(水的吸收峰)到4微米之间则可用于外科手术。对于医疗应用,光纤激光器最大的优势是其紧凑小巧,可弯曲的几何结构。具有宽光谱范围,高输出功率的短相干波长光源是获得高速、超高分辨率的光相干层析成像系统的关键。掺铒光纤激光器和掺镱的拉曼光纤激光器具有光学相干层析成像典型的要求:结构小巧紧凑、坚固耐用、价格合理、相对高的功率和无需光学校准仍可达到较高的分辨率。高功率的掺铒光纤激光器和掺铥光纤激光器则非常适合于医疗手术应用。研究人员发现激光不但可以快速切除和凝结软组织,而且在1.94微米波长内具有止血功能。而且由于光纤激光器优异的光束质量,其手术具有很高的精度。

在遥感领域,中红外光纤激光器如掺铒光纤激光器和掺铥光纤激光器的输出波长位于大气窗口,能够低损耗地穿过大气。尤其是掺铥光纤激光器在人眼安全波段更容易获得高功率输出,在功率放大方面更具有优势。光纤激光器的另外一个优点是简洁小巧、便携性好,这将有助于降低航空或航天飞行载具的负荷。

在国防军事领域,激光在雷达探测、保密通信、制导、杀伤等方面均有广泛应用。从光纤激光器诞生起,就以其独特的优势成为新一代激光武器的热门候选光源。光纤激光器的高光束质量特别适合远距离传输能苗,其相对其他光源更加小巧的体积有利于发射平台实现高机动性,提高在战场上的适应能力和存活能力。

总而言之,从整个激光技术的发展趋势来看,光纤激光技术代表了高功率、高亮度激光的发展方向.它把波导光纤技术与半导体激光泵浦技术有机地融为一体。以光纤为载体的高功率光纤激光有望满足未来激光先进制造和军事国防等领域对高功率、高效率激光器的迫切需求,是一种对国民经济和国家安全均有重要战略意义的前沿技术。高功率光纤激光器在能源勘探、大科学装置、空间科学、环境科学等领域也表现出了巨大的应用潜力,将会成为人类认识世界、改造世界的有力工具。

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