所谓高功率
光纤激光器,是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤
激光器而言(功率为mW级),是定位于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业的高强度
光源。高功率光纤激光器巧妙地把光纤技术与
激光原理有机地融为一体,铸造了21世纪最先进和最犀利的激光器。即使是在激光技术发达的国家,光纤激光器也是尖端、神秘和充满诱惑的代名词。
_2<k,Dl;RY >SS97 9 一、光纤技术
ab5i7@Ed kCKCJ}N 光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底,整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。
I -XkxDw } d7o- 光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维,主要广泛应用于光纤通讯,其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-62.5μm) 、中间低折射率硅玻璃包层 (芯径一般为125μm) 和最外部的加强树脂涂层组成。光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤:中心玻璃芯较细(直径9μm+0.5μm),只能传一种模式的光,其模间色散很小,具有自选模和限模的功能。多模光纤:中心玻璃芯较粗 (50μm+1μm),可传多种模式的光,但其模间色散较大,传输的光不纯。
"; ?^gA af/;D r@ w.Kp[ C2?p>S/q 图1
用于高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤,而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。
a@-!,Hi Eqh&<]q 3UGdXufw 图2
t<qXXQ&5 N4,!b_1 双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层,对泵浦光而言是多模的,直径和受光角较大,能大肆吸收高亮度的多模泵浦光,在光纤内聚集大量的光子。实践证明:横截面为D型和矩形的双包层光纤具有95%的耦合效率因而得到广泛应用。对于脉冲光纤激光器而言,一个重大的课题就是如何提高光纤的耐辐射能力。目前世界上光纤激光器的单脉冲能力可以达到20,000W,一根头发丝大小的光纤如何能承受如此高的激光辐射?所以必须考虑在光纤内掺杂某种特殊离子防止光纤被烧坏。比如掺杂了铈离子的光纤就是在核辐射情况下,既不会因染色而失去透光能力,更不会受热变形。
="[6Z$R jhE3@c@pT 二、传统固体激光器
T( bFn? SVT'fPm1M 激光器说白了就是一个波长转换器---波长短的泵浦光激励掺杂离子转换成长波长的光辐射,它一般由3部分组成:工作物质、谐振腔和泵浦系统。由于光纤激光器本质上属于固体激光器,所以在此仅比较一下传统Nd:YAG激光器的特性。
D?cE$P W.<I:q`eO 工作物质:
oFS)3. OSCe TkR 工作物质是固体激光器的心脏,它的物理性质由基质材料决定,光谱性质由激活离子内的能级结构决定。在YAG单晶体中掺入三价的Nd3+,便构成了目前广泛应用的YAG激光晶体。它主要有如下明显的特点:
G;bE_O y &%2 q*{Dy1Tj 1、YAG棒生长速度很慢,一般小于1mm/h。目前最大晶体棒的直径为40mm,长180mm,所以激光增益从根本上受到限制,无法实现特高功率激光输出。
.sbV<ulbc t/:]\|]WB 2、工作物质只要是晶体就无法回避激光棒的热
透镜效应、热应变和热致双折射现象,严重时出现“激光淬灭”和激光棒断裂;所以,YAG激光器效率很低。
Z+x`q#ZQr Psu*t%nQ?A 3、Nd:YAG棒的主要吸收谱线在810nm附近,其带宽约为2nm,所以要严格控制泵浦源的线宽,否则吸收无效反而造成热损耗,所以YAG激光器一般要加庞大的冷却系统。
n&}ILLc o*|j}hnbv 4、由于Nd3+半径与Y3+半径不完全相符,Nd3+离子掺入YAG晶体中在结构上存有天生的缺陷造成
光学瑕疵,不能够在YAG晶体中掺入高浓度的Nd3+来实现高增益,这同时也是影响激光器光学性能的根本。
#3Jn_Y%P. v"smmQZik 5、处于亚稳态能级的Nd3+离子平均寿命长为300us,其最佳Q开关重复频率只能是1/300us,即3.3Khz,所以YAG激光器的Q开关一般设定为3-5Khz而无法实现高频工作。
]+i~Cbj _cH 7lO[ 光学谐振腔:
9!oNyqQ
2M+'9+k~ 传统光学谐振腔主要由工作物质两端镀了膜的两块镜片组成,起着正反馈、选模和输出耦合的作用。比较光纤激光器独特的腔结构,传统光学谐振腔主要有如下特点:
G2}e@L0 RgT|^|ZA 1、由于是由两块镜片组成,谐振腔受到机械振动、热透镜效应以及晶体棒热
焦距扰动影响,从而造成激光无法正常出光,需极为烦琐的调光与监控。
O9]+Jd4W -V)DKf"f 2、腔镜对灰尘、水分和杂物十分敏感,需经常专业擦拭,否则影响激光功率。
k\a&4v ')>&:~ 3、腔长长度与输出功率是一对矛盾,光束质量与激光能量是一对矛盾;只有采取昂贵的选模/锁模腔才可以实现高质量的大功率输出。
rSvQarT Th)Z?\8zk 4、从激光晶体激励出来的初始激光不是单模光,而是一束直径为几毫米的光束,必须通过腔镜衰减或选模机制来实现单模输出,从而降低了整体转换效率。
J
M,ndl /^<Uy3F[p 泵浦系统:
[<M~6] 7}e73 由于灯泵系统的优缺点广为人知,在此仅谈谈DPSSL的泵浦方式的某些特性:
v5;V$EGD& na1*^S`[ 1、由于DPPSSL主要是在泵浦系统上稍作改进,它只能缓解激光棒热效应,而无法从本质上根除晶体激光器的这个弊病。
gK8{ =A0c P6ztP$M( 2、需严格控制LD的波长在808-812nm之间,要么加冷却系统,要么加波长锁定器,这是由于Nd :YAG晶体光谱特性所决定的。
kq kj.#u e1j3X\ \ 3、如泵浦光聚焦在几毫米的晶体端面进行端泵,一是无法实现高功率输出;二是泵浦光不能太强,否则膜层可能脱落,晶体棒无法及时散热,甚至出现棒畸变。
<,!e*V*U tmJ-2 4、如泵浦光对晶体进行侧面泵浦,则一般为多模输出,如不采取专门措施,无法提高光束质量。
KK%R3{ ]%L?b-e 5、LD直接发射出的激光为高度高斯像散光束,在进行端泵时需增加各种光学元件把泵浦光校准、聚焦在晶体上,这些附加的光学器件必将受到机械振动、灰尘和潮湿的影响,从而降低转换效率。
+(-L j:;[Y `2 三、低功率光纤激光器
wjm _bEi rv\m0*\< 普通通讯用的光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级,其典型结构如下图:
z_^Vgb] :mwJJIjUW 它与我们传统加工用的工业激光的显著区别有:
`"/s," c:D {m)$ b 1、用掺杂离子的光纤作为工作物质
M(alc9tn 2、用光纤
光栅代替光学镜片构成光学谐振腔
%&RF;qa2xu 3、LD泵浦源可以通过尾纤与掺杂光纤无缝耦合
u._B7R&> 4、导光部分也直接采用光纤输出
N:]71+ M6 W{mek 但 是该种激光器的单模纤芯直径只有9um,而且只能采用端泵,无法承受太高的功率密度;另外,单模纤芯对LD的模式提出了严格的要求,只有单模光才可以耦合进纤芯进行有效泵浦,可惜大功率单模LD至今无法实现;最后,强泵浦光耦合在很细的纤芯里会出现严重的非线性效应,从而改变会改变光学性能和降低转换效率。由于该种激光器受到功率的影响,一直以来只局限于光通讯领域;同时由于巨大的行业差距,几乎无人曾敢把它与
激光加工联想到一块。所以,大功率输出是光纤激光器发展的最大瓶颈,几乎所有的研究工作都在围绕这个问题展开。
<