光纤激光器及其应用

1、2022-4-91光纤激光器及其应用 2022-4-92目录光纤激光器的发展历程光纤激光器基本结构及主要特点高功率光纤激光器及其研究进展高功率光纤激光器的应用展望2022-4-93 1 1、激光器问世不久，美国光学公司的、激光器问世不久，美国光学公司的SnitzerSnitzer（斯尼泽）（斯尼泽） 于于19631963年首先提出光年首先提出光纤激光器的构思。纤激光器的构思。 2 2、19661966年高锟和年高锟和霍克姆霍克姆提出了光纤通提出了光纤通信的基本概念。信的基本概念。19701970年后光纤通信经历年后光纤通信经历研研究开发究开发阶段（阶段（1966196619761976），），

2、实用化实用化阶段阶段（1977197719861986）迅速进入）迅速进入19861986年以后的大年以后的大规模规模光纤通信建设光纤通信建设阶段。阶段。 光纤激光器的发展历程2022-4-94 3、1975年至1985年，随着光通信的迅猛发随着光通信的迅猛发展，光纤制造工艺与半导体激光器生产技术日展，光纤制造工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟，为光纤激光器和放大器的发展奠定基趋成熟，为光纤激光器和放大器的发展奠定基础。英国的南安普敦大学和通讯研究实验室、础。英国的南安普敦大学和通讯研究实验室、德国汉堡技术大学、美国的斯坦福大学实验室，德国汉堡技术大学、美国的斯坦福大学实验室，日本的均在光纤激

3、光器研究中取得许多日本的均在光纤激光器研究中取得许多重要成果。重要成果。 2022-4-95 近年来，美国近年来，美国IPG PhotonicsIPG Photonics公司异军突公司异军突起，展示，起，展示，Bands Bands 的各种光纤放的各种光纤放大器，高功率的，大器，高功率的，RamanRaman光纤激光器光纤激光器和双波长和双波长RamanRaman光纤激光器，更引起国际关注光纤激光器，更引起国际关注的是该公司已推出各种商用的是该公司已推出各种商用掺掺YbYb高功率光纤高功率光纤激光器激光器，最大功率达，最大功率达1 1万瓦；单模输出功率高万瓦；单模输出功率高达达1000W,10

4、00W,光束质量非常好，光束质量非常好，M M2 2小于小于1.11.1。2022-4-96 高功率光纤激光器具有高功率光纤激光器具有光束质量好、寿光束质量好、寿命长、转换效率高命长、转换效率高的优点，其主要性能已明的优点，其主要性能已明显优于半导体激光泵浦固体激光器和显优于半导体激光泵浦固体激光器和COCO2 2激光激光器。从发展态势看，光纤激光器不仅在光纤器。从发展态势看，光纤激光器不仅在光纤通信领域有重要的应用而且迅速地向其他更通信领域有重要的应用而且迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展，这是一类已经为广阔的激光应用领域扩展，这是一类已经取得技术突破，正在向技术的广度和深度迅取得技术突

5、破，正在向技术的广度和深度迅速发展的、有重要应用前景的激光器。速发展的、有重要应用前景的激光器。 2022-4-97二、光纤激光器基本结构及主要特点 谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环 谐振腔耦合光学系统工作物质(增益光纤)准直光学系统LD泵浦源 光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同，如下图所示：相同，如下图所示：2022-4-98 光纤激光器大致可分为三类光纤激光器大致可分为三类: 稀土元素掺杂光纤激光器稀土元素掺杂光纤激光器 掺杂离子可为钕掺杂离子可为钕Nd3+，铒，铒Er3+，镱，镱Yb3+，铥，铥Tm3+等，基质可以是石英玻璃，氟

6、化锆玻璃，磷酸盐玻璃、等，基质可以是石英玻璃，氟化锆玻璃，磷酸盐玻璃、单晶、光子晶体光纤等。单晶、光子晶体光纤等。 染料光纤激光器染料光纤激光器 纤芯、包层或二者加入激光染料。纤芯、包层或二者加入激光染料。 非线性光纤激光器非线性光纤激光器 利用光纤中的利用光纤中的SRS，SBS非线性效应产生波长可非线性效应产生波长可变换的激光。变换的激光。2022-4-99光纤激光器的主要特点光纤激光器的主要特点 （1）光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易）光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高

7、效连接，构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点；等特点； （2）由于光纤具有极好的）由于光纤具有极好的柔绕性柔绕性，激光器可设，激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统集成、性能价格比高；集成、性能价格比高； 2022-4-910 （3）由于光纤具有）由于光纤具有很高的很高的“表面积表面积/体积体积”比比，散热效，散热效果非常好，所以光纤激光器可以工作在果非常好，所以光纤激光器可以工作在-2070的的环境温环境温度内，不需要庞大的水冷系统，只需简单的风冷

8、即可，且度内，不需要庞大的水冷系统，只需简单的风冷即可，且可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件下正常运转；有灰尘的条件下正常运转； （4）具有相当好的）具有相当好的可调谐参数可调谐参数和和选择性选择性，能获得宽调，能获得宽调谐范围（谐范围（380nm3900nm）和相当好的单色性和高稳定）和相当好的单色性和高稳定性，使用寿命长，平均无故障工作时间在性，使用寿命长，平均无故障工作时间在10kh甚至甚至100kh以；以； （5）采用特殊的器件结构可获得）采用特殊的器件结构可获得高功率输出高功率输出或或超短脉超短脉冲输出。冲

9、输出。2022-4-911三、高功率光纤激光器及其研究进展三、高功率光纤激光器及其研究进展 光纤激光器不仅与固体、气体、半导体激光器等相比，有非常明显的优越性，而且与二极管泵浦固体激光器相比，也有更好的光束质量，可得到更小的聚焦光斑。随着光纤激光器应用的更加广泛，对高功率光纤激光器的需要越来越大。为了获得高功率输出，关键之一是包层泵浦技术包层泵浦技术（Cladding pumped technology）。2022-4-912双包层光纤激光器双包层光纤激光器 双包层掺杂光纤的构形如下图所示 光纤芯光纤芯外包层外包层保护层保护层激光输出激光输出泵浦光泵浦光2022-4-9 双包层掺杂光纤由纤芯、

10、内包层、外包层和保护层四个层次组成。光纤芯：由掺稀土元素SiO2构成，它作为激光振荡的通道，对相关波长为单模内包层：由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的纯SiO2构成，它是泵光通道，对泵光通道是多模的外包层：由折射率比内包层小的软塑材料构成保护层：最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层 13内包层的作用： 一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内； 二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。2022-4-914在双包层结构中，泵浦光的吸收率和内包层的几何形状和纤芯在包层结构中的位置有关。此外，泵浦光被掺杂稀土离子的吸收率正比于内包层和外包层

11、的面积比。2022-4-9152022-4-916 美国IPG公司相继推出输出功率为700W、2KW和10KW的掺Yd双包层高功率光纤激光器产品。为了提高光纤激光器的输出功率，可采用多组多组宽带区多模半导体二极管宽带区多模半导体二极管作为泵浦源，其基本结构如图所示 2022-4-9172022-4-918高功率光纤激光器关键技术高功率光纤激光器关键技术（1）产生激光的特种光纤（Yb-doped double cladding fiber）（2）光纤光栅（激光腔）（3）大功率激光二极管泵浦光/光纤输出（4）多路泵浦光注入耦合系统（5）多路光纤激光合波器2022-4-919IPG公司已经推出的部分

12、产品2022-4-920IPG万瓦级光纤激光器2022-4-921国内研究概况国内研究概况 国内有众多的高校和研究所在进行掺镱双包层光纤激光器的研究工作。目前，取得了一些可喜的成绩。 （1）2014年7月份，上海光机所在继去年11月份得到百瓦功率之后，又获得了200W的输出功率，光-光转换效率接近70%，在该项目的研究中，已经申请了十几项专利技术。 2022-4-922国内研究概况国内研究概况 （2）南开大学在研制出）南开大学在研制出短脉冲光纤激光器短脉冲光纤激光器的的同时，大胆创新，率先研制出了同时，大胆创新，率先研制出了双包层光纤光栅双包层光纤光栅，为双包层光纤激光器的全光纤化研究，迈出了

13、重要为双包层光纤激光器的全光纤化研究，迈出了重要的一步。的一步。 （3）武汉烽火通信成功推出了完全达到商用）武汉烽火通信成功推出了完全达到商用水平的水平的双包层掺镱光纤产品双包层掺镱光纤产品。据悉，通过上海光机。据悉，通过上海光机所试用，其斜率效率达到所试用，其斜率效率达到66以上，在选用合适以上，在选用合适的光纤长度和泵浦功率的条件下，可实现的光纤长度和泵浦功率的条件下，可实现100W以以上的激光功率输出，达到国际先进水平。上的激光功率输出，达到国际先进水平。 2022-4-923 值得一提的是，近值得一提的是，近1-2年内，国内外掀起了光子年内，国内外掀起了光子晶体特别是晶体特别是光子晶体

14、光纤光子晶体光纤的研究热潮，由于其独特的研究热潮，由于其独特的结构和导模机制使光子晶体光纤具有许多普通光的结构和导模机制使光子晶体光纤具有许多普通光纤所不具备的优越特性。根据不同的特性，有望研纤所不具备的优越特性。根据不同的特性，有望研制出各种光子晶体功能器件，比如光子晶体光纤光制出各种光子晶体功能器件，比如光子晶体光纤光栅、光子晶体衰减器、激光器和放大器等等。栅、光子晶体衰减器、激光器和放大器等等。 目前国外有多家公司有晶体光纤产品，比如丹目前国外有多家公司有晶体光纤产品，比如丹麦晶体光纤公司推出了麦晶体光纤公司推出了“双包层高数值孔径掺镱晶双包层高数值孔径掺镱晶体光纤体光纤” ，这种光纤可

15、以用在光纤激光器或光纤，这种光纤可以用在光纤激光器或光纤放大器中，另外由于该光纤具有光敏性，还可以在放大器中，另外由于该光纤具有光敏性，还可以在其上刻写光纤光栅。其上刻写光纤光栅。 晶体光纤应用于光纤激光器中晶体光纤应用于光纤激光器中2022-4-924该公司DC-420-23-Yb型双包层高数值孔径掺镱晶体光纤Near Field of core at 1310nm Near Field of cladding Fiber Structure2022-4-925 国内燕山大学、电子科技集团公司46研究所和上海光机所等单位也在开展光子晶体光纤方面的研制工作，其中燕山大学有一些初期的产品。201

16、4年6月份，上海光机所在大芯径单模光子晶体光纤研制中获新进展，成功地拉制出芯径达40m的单模光子晶体光纤。 北邮、北半、南开大学、深圳大学以及北方交通大学等研究所和高校开展了晶体光纤功能器件等的研究工作，取得了一些初步的成功。今年4月深圳大学成功研制出了15W 光子晶体光纤激光器 。2022-4-926四、光纤激光器的应用 高功率掺镱光纤激光器（HPFL）与目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半导体泵浦YAG激光器相比，表现出突出的优点，特别是电光转换效率高，光束质量好，泵浦源寿命长，使用方便，环境适应能力强，空气冷却等优点，使它在激光应用技术领域中呈现出

17、美好的应用前景。2022-4-927光纤激光器可用于材料加工和制造光纤激光器可用于材料加工和制造 不同材料加工所需光纤激光器功率如下: 金属切割:500w2kw； 金属焊接和硬焊:500w20kw； 金属淬火和涂敷:220kw； 玻璃和硅切割:500w2kw； 聚合物和复合材料切割为200w1kw； 快速印刷和打印:20w1kw； 软焊和烧结为50500w； 消除放射性沾染为300w1kw。 2022-4-928激光打标：激光打标：激光打标是利用高能量密度的激光对工件激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的

18、化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法反应，从而留下永久性标记的一种打标方法包括半导体芯片/晶元片/集成电路/电子器件，医疗器件，手机/计算机键盘，仪器面板/按键，服装钮扣，香烟/食品包装等。CO2和和YAG激光器：激光器：体积大；高功耗；短体积大；高功耗；短寿命；高维护费用；寿命；高维护费用；使用不方便。使用不方便。掺镱光纤激光器：体积小；低功耗；长寿命掺镱光纤激光器：体积小；低功耗；长寿命 ；低成本，免维护；光束质量好，工作面处功率低成本，免维护；光束质量好，工作面处功率密度高；光纤传输到工作面，使用方便。密度高；光纤传输到工作面，使用方便。2022-4-929深圳大族激光YLP-10

19、光纤激光打标机2022-4-930在线打标在线打标2022-4-931激光雕刻激光雕刻精密电子元器件 2022-4-932精密金属标刻 33医疗器械精密切割医疗器械精密切割 在医用仪器中，实用化的典型例子有扩张器、内窥镜和导管等的加工 。 所谓扩张器，就是治疗闭塞性疾病的器具的总称。例如冠状动脉血管用的扩张器。此外，还有胆管、食道、气管用的扩张器等。利用扩张器治疗疾病源于美国。 目前，我国没掌握心血管支架（coronary stent）的加工技术，进口支架价格昂贵，一个进口支架的价格就将近2万元，整个手术的费用高达10多万元，国内很多患者不能得到治疗。据卫生部统计，我国需要接受心血管手术的病人已达400万人，但全国每年的手术量尚不足4万例。2022-4-934 一般地，支架尺寸非常小，比如血管支架的主要参数为：直径0.8-2 mm、壁厚0.08-0.4 mm、网线宽度0.05-0.07 mm，切割加工精密+/-5m。 这就要求激光器必须有非常好的光束质量（M2接近于1），以及非常小的聚焦光斑直径（小于15m）。另外，还要求激光器的稳定性好。 所有这些，都只有光纤激光器才能达到要求，比如用YAG激光器切割出来的支架，表面有毛刺现象，而且热影响区大，影响了支架的弹性。2022-4-935心脏支架的切割及其应用2022-4-