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高功率连续光纤激光器发展历程及技术演进分析
发布时间:2022-09-08    来源:国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 赵水   阅读次数:13993 分享到:

近年来,随着我国科学技术的进一步发展,激光器技术在军事、医学以及工业等领域得到了广泛的应用。但是由于最初的激光器的转换效率、散热性较差,所以不能够满足现有社会对激光器的需求。高功率连续光纤激光器技术在传统激光技术的基础上不仅提升了输出功率和转换效率,同时有望全面取代传统的固体激光器。

高功率连续光纤激光器近30年发展历程 

相较于国外而言,我国在激光器领域的研究起步相对较晚,追溯最早研究时间约在 20世纪80年代末期,近10年内,我国各大高校和研究机构,在激光器领域的研究侧重点在于掺镱双包层光纤激光器,我国于 2006年首次将掺镱双包层光纤激光器的输出功率提高到千瓦级别,并首次将 1KW 光纤激光器推向了激光器市场生产链中,并实现了商用量产。1KW光纤激光器所应用的核心器件为 20/400 有源光纤、泵浦合束器等,国外IPG公司对光纤激光器的高功率连续输出展开纵深研究,2012年,国内企业通过进一步提升光纤激光器的输出功率,首次将输出功率提高到20KW。而后我国的天之星公司于2017年将光纤激光器的输出功率提升至2KW。我国近30年来光纤激光器领域呈快速发展趋势,尤其是最近几年,相关领域的曾报道我国的光纤激光器输出功率突破万瓦。 

高功率光纤激光器的技术演进

光纤激光器结构的优化 

1、空间光泵浦结构 

早期的光纤激光器大多应用光泵浦输出、激光输出,其输出功率较低,要想在短时间内快速的提升光纤激光器的输出功率存在较大的难度。1999年光纤激光器研发领域的输出功率首次破万瓦,该光纤激光器的结构主要为利用光双向泵浦的方式,构成一个谐振腔,具调查该光纤激光器的斜率效率达到了 58.3%。 

但是利用光纤泵浦光与激光耦合技术研制光纤激光器虽然能够有效的提升光纤激光器的输出功率,但同时也存在复杂性,不利于光学镜片搭建光路,一旦在搭建光路的环节中需要搬移激光器,那么光路也需求重新调整,这一问题限制了光泵浦结构光纤激光器的广泛应用。

2、直接振荡器结构和 MOPA 结构 

随着光纤激光器的发展包层功率剥离器等逐步替代了透镜部件,使光纤激光器的研制步骤得到了简化,间接的提升了光纤激光器的维护效率,这一发展趋势象征着光纤激光器逐渐走向实用性。直接振荡器结构和MOPA结构是目前市面上光纤激光器最为常见的两种结构。直接振荡器结构是光栅通过在振荡的过程中选定波长,而后输出所选定的波长,而MOPA则是将光栅选定的波长作为种子光,种子光在一级放大器的作用下被放大,所以光纤激光器的输出功率也会随之得到一定程度的提升。较长的一段时间MPOA结构的光纤激光器被作为高功率光纤激光器的首选结构,但是后续的研究发现该结构中高功率输出容易导致光纤激光器内部空间分布不稳定,所输出的激光亮度会受到一定程度的影响,这一因素对于高功率输出效果也同样存在直接的影响。 

同带泵浦技术的发展

早期的掺镱光纤激光器的泵浦光波长通常为915nm或975nm,但是这两个泵浦波长是镱离子的吸收峰,所以将其称为直接泵浦,直接泵浦并未得到广泛应用的原因为量子损耗量大。同带泵浦技术是在直接泵浦基础上而延伸出来的技术,其中泵浦波长、发射波长之间的波长相近,同带泵浦的量子亏损率相较于直接泵浦小,同带泵浦技术的基础上IPG公司将单纤单模输出的光纤激光器输出功率提升至 10KW。 

第一,有源光纤技术的发展 早期的有源光纤主要为小纤芯(≤10μm),后期的有源光纤主要为大纤芯(LMA 光纤)。自 Hong Po 提出双包层光纤应用后,有源光纤的功率水平得到了有效的提升。 


高功率光纤激光器技术发展瓶颈

虽然光纤激光器在军事、医疗等多个行业领域具备较高的应用价值,我国通过近 30年的技术研发,推动着光纤激光器的广泛应用,但是如果要想使光纤激光器能够输出更高的功率,现有的技术仍存在诸多瓶颈,例如光纤激光器的输出功率是否能够达到单纤单模36.6KW;泵浦功率对光纤激光输出功率的影响;热透镜效应对光纤激光器输出功率的影响等。

此外光纤激光器更高功率输出技术的研究还应考虑到横向模式的稳定性问题、光子暗化效应问题。通过调查证明确横向模式不稳定的影响因素为光纤发热,而光子暗化效应主要指的是当光纤激光器连续输出数百瓦或数千瓦功率时,输出的功率会呈现快速下降的趋势,对于光纤激光器的连续高功率输出存在一定程度的限制。

虽然目前国内外对光子暗化效应的具体成因并未作出明确的界定,但是,大部分的观点认为氧缺陷中心、电荷转移吸收都能够导致光子暗化效应的发生,就这两点因素提出以下方式对光子暗化效应进行抑制,通过对有源光纤的纤芯组成成分进行优化配置,如铝元素、磷元素等,从而避免电荷转移吸收,而后将优化后的有源光纤进行试验适用,具体的标准为,连续数小时保持3KW功率输出、连续百小时保持1KW 功率稳定输出。 

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