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2010-12-25 21:41

光纖激光器設(shè)計與應(yīng)用

過去，光纖激光器廣泛應(yīng)用于電信產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，可使高質(zhì)量單模低功率系統(tǒng)的平均無故障時間達到約25年，確保只要通信技術(shù)安裝之后，就可以一勞永逸，根本不用為其擔心了。隨著上世紀90年代末電信市場的崩潰，光纖激光器制造商已將工作重心轉(zhuǎn)向滿足工業(yè)制造、軍事、醫(yī)療以及航天領(lǐng)域的需求。從電信向其他產(chǎn)業(yè)的這一轉(zhuǎn)變需要相應(yīng)的高低功率激光技術(shù)，重點要滿足一定的操作和性能目標，從而占據(jù)價值數(shù)十億激光材料處理市場的一部分份額。目前市場上銷售的各種光纖激光器技術(shù)種類之多令人吃驚，可滿足各種工業(yè)應(yīng)用的需求。功率級小于200W的低功率單模系統(tǒng)正在微處理標記和醫(yī)療應(yīng)用中得到越來越多的采用，同時該技術(shù)也在向高功率級方向快速發(fā)展，不會損壞光纖。此外，其還為激光材料處理應(yīng)用開辟了新的天地。

各廠商均推出了光纖激光器系統(tǒng)和元件。GSI推出的商業(yè)產(chǎn)品系列的輸出功率高達200W，明年可達2千瓦，而IPG的產(chǎn)品輸出功率則小于10kW。IMRA、Spectra- Physics Inc、Synchronous Inc及Optigain Inc等制造商主要經(jīng)營低功率和短脈沖領(lǐng)域。顯然，單模光纖激光器已率先占據(jù)了其它低功率激光器技術(shù)的一部分市場份額，與現(xiàn)有的CO2和燈泵浦 Nd:YAG技術(shù)競爭。本文將重點討論高功率光纖激光器技術(shù)的近期發(fā)展，并探討現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)標準將為當今對技術(shù)不斷提出更高要求的制造產(chǎn)業(yè)帶來何種新機遇。

光纖激光器設(shè)計

高功率光纖激光器小巧可靠，在光束質(zhì)量和功率轉(zhuǎn)換效率（大約20％）方面優(yōu)于燈泵浦Nd:YAG激光。光纖激光器含有一個長光纖激光器腔（約12米），沿整個長度方向分配泵浦能量。高效率可以減少熱管理問題，而余熱可以沿整條光纖消散。大部分摻稀土硅光纖激光器都是由輸出分別約為 1550nm與1060nm的Er或Yb摻質(zhì)物組成。與1550nm輸出相比，1060nm輸出時可實現(xiàn)更高的效率。橫電磁模分布由纖芯的導波特性控制。寬度為數(shù)十微米的窄光纖可以實現(xiàn)單模操作，而更高的纖芯直徑可以產(chǎn)生更高階模式。

在設(shè)計穩(wěn)定、可靠的光纖激光器系統(tǒng)過程中，一系列其他基于光纖的元件可以構(gòu)建單片式“全光纖”激光腔。其他文獻已經(jīng)廣泛探討了全光纖設(shè)計的優(yōu)勢，其中兩個主要優(yōu)勢是無光學對準和外露光學表面。這些功能元件中最主要的是泵浦合束器和布拉格光柵反射器。圖1是我們設(shè)計的此類光纖激光器腔的示意圖。輸出光纖采用直徑低于10微米的單模纖芯，其可以確保高質(zhì)量光束輸出。此架構(gòu)旨在能夠在水冷散熱片構(gòu)造中產(chǎn)生高達500W輸出功率，并且達到10萬小時二極管整體使用壽命，同時能夠在室內(nèi)空氣溫度達到35℃情況下采用強制空氣冷卻產(chǎn)生高達120W輸出功率，并且可靠性與二極管相當。

光纖激光器系統(tǒng)的性能與可靠性取決于泵浦激光二極管。過去十年來，能夠在900～980nm波長范圍內(nèi)產(chǎn)生數(shù)瓦輸出功率的多模二極管泵浦源已經(jīng)實現(xiàn)商用。有些泵浦源具有極高的可靠性，其正常工作條件下的平均無故障時間已經(jīng)超過50萬小時。結(jié)合適當冗余性，MTBF超過10萬小時的此類泵浦源都能夠用于構(gòu)建輸出功率達到數(shù)百瓦的光纖激光器。