光纤激光研究和技术发展现状

激光研讨的最新开展趋势前言2021是激光诞生50周年激光已从实验室走向市场新型激光技术不断推进激光开展激光研讨的最新开展趋势日本产业振兴协会(IndustryPromotionAssociationofJapan)在中国调查的光电子领域：光学设备和资料：THz、中红外、可见到紫外波段新资料；光通讯资料：光子网络、局域网光纤、量子密码通讯、空间光无线通讯；光存储和光信息处置：母盘制造和复制、蓝光光盘、新一代大容量存储技术；显示器：包括液晶显示、有机发光电子纸张显示、投影显示；用户界面：图像传感、防灾系统、光生物测定、家庭平安严密设备；激光运用和光学丈量：新型激光源、光纤传感、激光冷却、激光加工；光伏技术：薄膜电池、有机光伏电池、高效光伏电池；环境光子学；照明技术，LED白光照明。激光研讨的最新开展趋势以透明陶瓷为代表的新型激光资料以光纤激光为代表的新型激光构造以掺铥光纤激光为代表的新激光波长激光技术在光伏太阳能产业中的运用透明激光陶瓷的研讨历史和优点透明激光陶瓷的进展1.高效率陶瓷激光器2.高功率陶瓷激光器3.大能量陶瓷激光器4.超短脉冲陶瓷激光器5.全陶瓷自调Q陶瓷激光器6.陶瓷光纤理想激光资料的展望1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料

1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料

陶瓷意为“煅烧的资料〞，曾经存在了数千年。随着文明的进程，人类最终发明了透明多晶光学陶瓷，如今我们可以利用它们作为增益介质来构成激光振荡。透明光学陶瓷中，散射是最大的光损耗过程。多种散射源包括微孔、颗粒边境、单个颗粒内的构造梯度以及光学各向异性资料的相和晶格缺陷等均能使部分折射率变化。同单晶相比，具有如下制备优势：大尺寸块体，外形可控。(2)掺杂浓度高、光学均匀性好。(3)烧结温度低，制备周期短，本钱低，可大规模消费。(4)可设计制备出多功能和复合构造的陶瓷。同玻璃基质相比，具有如下资料优点：(1)热导率高，是玻璃资料的数倍，有利于降低热效应；(2)陶瓷的熔点远高于玻璃的软化点，能接受更高的辐射功率;(3)陶瓷激光器输出激光的单色性比玻璃激光器好；1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料

1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料1.1高效率陶瓷激光器2004年，中科院光机所采用超均匀侧面泵浦技术在1at.％Nd：YAG陶瓷棒中获得输出功率236W，斜率效率62％的延续激光输出2006年柏林大学芯掺杂高效率Nd：YAG陶瓷激光器，140W，斜率效率67％1.1高效率陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料1.2高功率陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料2006年，美国LLNL实验室采用Sm3＋包边Nd：YAG复合构造陶瓷热容激光器实现了5Hz，67kW激光输出，继续时间10s。Sm3＋包边Nd：YAG构造抑制ASE效应的原理1.2高功率陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料1.3大能量陶瓷激光器—--------低温冷却的Yb:YAG陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料未来大能量激光核聚变驱动器正从ICF向IFE开展，要求激光资料具有高的抗热冲击参数和大受激发射截面和大口径。采用低温冷却的Yb晶体取代Nd玻璃是一种新型的设计理念。激光陶瓷可获得大口径，高掺杂，且热机械性能更为优越，是理想的可取资料。受激发射截面和抗热冲击系数随温度可调→可以实现高效能量提取能级构造激光系统，无激发态再吸收→在LD泵浦下高激光增益良好的热机械特性→可以高平均功率运日本大阪大学方案在16Hz反复频率下获得MJ量级激光输出功率，光学转换效率约12％1.3大能量陶瓷激光器—--------低温冷却的Yb:YAG陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料Yb：YAG陶瓷ICF驱动系统表示图1.4超短脉冲陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料Yb：Y2O3和Yb：Lu2O3陶瓷资料具有宽的发射带宽,是理想的飞秒激光器资料Yb：Y2O3188fs锁模脉冲Yb：Lu2O3357fs锁模脉冲1.4超短脉冲陶瓷激光器1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料2004年,日本World-Labo.实验室Yb:YSAG透明陶瓷，获得脉冲宽度280fs，平均输出能量为62mW的锁模脉冲激光输出1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料微芯片Nd3+，Cr4+：YAG双掺杂自调Q全陶瓷激光器其中Cr4+作为调Q开关1.5全陶瓷自调Q脉冲激光器1.6Nd：YAG陶瓷光纤1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料陶瓷的热机械性能和可接受的功率密度优于石英光纤-高功率Nd：YAG陶瓷光纤的形状陶瓷光纤激光器与普通光纤激光器的斜率效率1.6Nd：YAG陶瓷光纤1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料理想激光资料的展望：陶瓷综合了单晶和玻璃两者的优势〔良好的资料和光学特性〕。激光陶瓷还可以便利的制备，实现多层、多功能“AllinOne〞的复合构造，给予了高性能固体激光器前所未有的高性/价比和便利灵敏的设计1、以透明陶瓷为代表的新型激光资料2、以光纤激光为代表的新型激光构造

对于传统的棒状任务物质在高功率时，存在严重的热透镜效应和热致双折射，导致光束质量下降2、以光纤激光为代表的新型激光构造

光纤激光器的众多优点决议了它是未来高功率高光束质量全固态激光系统的可靠选择之一，很有能够取代现有的CO2激光器和YAG激光器。1、易于散热---增益介质的外表积/体积比大2、光束质量好--优良的双波导限制机制，3、固有的全封锁柔性光路4、光路具有免维护性5、光电效率高20-30%----LD〔10-15%〕6、寿命长7、体积小分量轻8、输出功率大9、节水节电本钱10、造价不断降低光纤激光器的构造光纤激光器的运用领域 1.激光加工对激光器的要求 2.低功率光纤激光器的运用 3.中功率光纤激光器的运用 4.高功率光纤激光器的运用光纤激光器开展历史和现状光纤激光器开展趋势2、以光纤激光为代表的新型激光构造

2、以光纤激光为代表的新型激光构造

光纤激光器在数千瓦仍有能够坚持单模，常规固体激光器是不能够实现的半导体泵浦全固态光纤激光器根本构造泵浦系统耦合系统光纤及输出系统2、以光纤激光为代表的新型激光构造

Photoniccrystalfiber：PCF光子晶体光纤2、以光纤激光为代表的新型激光构造

2、以光纤激光为代表的新型激光构造

不同类型激光器参数对比激光加工激光束作用于物体的外表而引起的物体的变形，或物体的性能的改动的加工过程。按光与物质相互作用机理，大体可将激光加工分为激光热加工和激光光化学反响加工〔冷加工〕两类。优点：热影响小，不受电磁干扰，易于导向、聚焦和发散。激光热加工的光源主要采用红外激光器，如CO2激光器、和Nd:YAG激光器，如今主要用于汽车工业、钢铁工业、轻纺工业和电子工业的各类加工。激光光化学反响加工的光源主要采用紫外激光器，如准分子激光器，迄今已胜利地运用于半导体工业。2、以光纤激光为代表的新型激光构造

1.激光加工对激光器的要求2、以光纤激光为代表的新型激光构造

激光加工对激光器的方式和功率有很高的要求波长：不同波长，有不同用途。如：紫外光对光刻很有用，1.08微米波长的激光能被大多数资料吸收，适于切割和焊接金属，FiberLaser的波长为激光加工的开展提供了宽广的运用前景。横模方式：决议激光光波场在空间的展开度，不同的加工种类和加工要求对激光能量分布有相应要求。如切割和焊接要求基横模，淬火却要求高阶模。目前，FiberLaser输出的插头效率在20%－30%之间。2、以光纤激光为代表的新型激光构造

激光加工对激光器的方式和功率有很高的要求功率：工件外表某点吸收能量的多少依赖于激光输出功率和激光辐照时间；FiberLaser的功率输出已达千瓦级，可以满足多种激光加工的需求。

偏振特性：激光偏振特性影响资料的吸收特性，进而影响激光加工时资料吸收能量的份额。光纤激光的基波发射普通在1.08μm左右，输出偏振特性不明显；采用保偏光纤可以获得偏振输出。不同的运用对光束质量的要求2、以光纤激光为代表的新型激光构造

2、以光纤激光为代表的新型激光构造

光纤激光器的主要运用之一：微加工〔打标、雕刻、调阻等〕低功率<50Wa电镀金属零件，b外表染色的铝制品，c抛光的不锈钢片，d外表有色涂层的铝片a集成电路芯片，b塑封的晶体管，c皮革制品，d塑料日用品等。金属软边光阑〔提供中国原子能科学研讨院等单位〕小孔阵列〔提供上海大学〕ab上光所研制的SF-1光纤激光打标机上光所研制的便携式光纤激光打标机20212、以光纤激光为代表的新型激光构造

光纤激光器的主要运用之一：微加工光纤激光器的主要运用之二2、以光纤激光为代表的新型激光构造资料加工(软焊、烧结、切割、打孔等)中等功率50W<P<500W(打孔、熔覆、外表处置等)高功率>1KW不锈钢板焊接样品照片钢板厚度1.5mm，激光功率200W光纤激光器用于不锈钢板焊接实验研讨激光波长～1080nm，光束直径20mmM2＝1.38透镜f=30mm2、以光纤激光为代表的新型激光构造2、以光纤激光为代表的新型激光构造不同类型激光器外表处置效果对比光纤激光器的主要运用之二资料加工SIOM的高功率光纤激光器输出功率：1.75kW,

斜率效率：76%波长：1.09um高功率光纤激光器通常指输出超越千瓦级。优点：能远间隔加工、光束质量好、功率密度高、已广泛运用于厚金属〔10cm〕切割、远间隔焊接、岩石混凝土的钻孔、淬火和原型复制等加工领域。军事领域–扫雷，软杀伤，激光武器光纤激光器的主要运用之三：定向能武器2、以光纤激光为代表的新型激光构造光纤激光器的主要运用之三：定向能武器2、以光纤激光为代表的新型激光构造组束高功率(~10KW)1963年——-第一台光纤激光器〔掺钕光纤激光器〕1973年——二极管激光器泵浦的光纤激光器1988年——E，Snitzer提出双包层泵浦光纤激光器技术，成为制造高功率光纤激光器首选途径目前IPG公司实现了单模，输出功率为10kw的光纤激光器2、以光纤激光为代表的新型激光构造

光纤激光器开展历史和现状IPG公司2、以光纤激光为代表的新型激光构造

2、以光纤激光为代表的新型激光构造

在过去三年，光纤激光器获得了42%的令人印象深化的增长，2021年到达了3亿美圆〔根据Optech咨询公司的报告<FibreLasers2021>。光纤激光器的开展趋势高功率高亮度两种实现技术大模场有源光纤结合方式选择技术相关组束技术提高单纤输出功率改善光束质量提高输出功率同时保证好的光束质量高功率高亮度2、以光纤激光为代表的新型激光构造

铥激光的主要运用领域铥的能级图与吸收谱掺铥光纤激光器的进展SIOM的掺铥光纤激光器3.以掺铥光纤激光为代表的新激光波长3.以掺铥光纤激光为代表的新激光波长波优点在2-3微米的中红外光纤激光器在激光显微、外科手术等领域具有宽广的运用。在军事上，战争中很多军事目的探测器大多都能是在红外线辐射范围,且中远红外线适于全天候和远间隔的传输。2微米光纤激光器是光参量产生中红外〔3-5微米〕的最正确泵浦源之一，其不断是国内外研讨热点。国外曾经报道了KW级的2微米激光器，IPG实现500W全光纤激光器。铥激光的主要运用DopplerLIDARSurgeryRemotesensingTm3+fiberlasersTm3+:YAPlasersTm3+:YLFlasersTm3+:LLFlasersTm3+:YAGceramiclasers……3.以掺铥光纤激光为代表的新激光波长铥的能级图长荧光寿命(>ms)高量子效率商业LD泵浦(780-795nm)吸收一个泵浦光子上能级两个光子交叉弛豫掺铥光纤的吸收谱〔左〕与发射谱〔右〕三种泵浦方式：790nm〔LD〕；1300nm〔Nd激光器〕；1600nm〔Er激光器〕。3.以掺铥光纤激光为代表的新激光波长3.以掺铥光纤激光为代表的新激光波长近年来掺Tm光纤的高功率激光进展3.以掺铥光纤激光为代表的新激光波长双向泵浦的掺铥光纤激光器实验安装烽火科技光纤：纤芯直径25微米，纤芯NA为0.08；内包层为D型构造，尺寸为400微米。光纤长度3.5米SIOM掺铥光纤激光器：入纤功率输出功率斜效率波长130W55W45%1.99um附近SIOM中红外光纤激光器的研讨不同长度的掺铥光纤激光器的输出光谱3.5m长的光纤激光器在不同输出功率时的光谱掺铥光纤激光器可以实现高的延续功率输出〔50W〕；掺铥光纤激光器输出的光谱在高功率下比较宽,，任务波长不稳定，不利于直接作为3-5µm的中红外固体激光器的泵浦源；中红外激光器的光参量振荡泵浦源，对线宽、波长、线偏振、及高重频的脉冲有要求，需对掺铥光纤激光器作进一步研讨及改良。2024/1/31太阳能：可再生清洁能源电网等价点太阳能电价常规能源电价4.激光技术在光伏太阳能产业的运用4.激光技术在光伏太阳能产业的运用激光技术快速、准确可控、零接触薄膜化工艺简化提高产能加强吸收外表处置优化电极高效率低本钱叠层、聚光太阳能电池4.激光技术在光伏太阳能产业的运用激光掺杂激光刻槽/边缘隔离激光打孔/激光烧结电极激光划线〔薄膜电池〕体硅薄膜激光外表织构体硅激光切割4.激光技术在光伏太阳能产业的运用下面以高重频脉冲光纤激光器在太阳能电池领域的运用为例引见1、脉冲调制的单模LD、2、固体激光调Q、3、光纤激光声光调Q种子光－---------------振荡放大〔MOPA〕构造高性能小功率激光器双包层光纤做为功率放大器主要优点：脉冲参数可调〔