高功率光纤激光器

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高功率光纤激光器的主要特性
在光纤材料中掺杂铒(Er)，铥(Tm)，镨(Pr)， 镱(Yb)等不同的稀土元素便会使光纤激光器有 多种不同的输出波长；
由于双包层泵浦技术
(Double Cladding Pumped Technology) 的发 明与特殊工艺的融合便诞生了高功率的光纤激 光器；
外包层
内包层
纤芯
输出光束
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宽面二极管
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包层光线横截面与包层泵浦技术示意图
Section of cladding fiber and cladding pumping technology
内包层
Inner clad
纤芯
Core
外包层
Outer clad
偏心圆内包层
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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掺镱双包层泵浦光纤 低折射率的外包层光纤 输出端
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高功率光纤激光器的工作原理-4
特殊耦合器
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多模Diode Pnmp
5m纤芯
Tapered Fiber Bundle
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高功率光纤激光器的工作原理-5
7 MM Fiber 0.16 NA
Single mode output
多模泵浦光 Multi-mode pump light
特殊设计的树杈形包层光纤
Cladding fiber in “the fork of a tree”shape
单模输出 Laser output Single-mode
在单模纤芯内被镱原子吸收的多模泵浦光
Multi-mode pump light is absorbed by ytterbium atoms in the single-mode core
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环碟型光纤激光器的泵浦
日本Hoya大学 K.Ueda 光纤长100M 10W
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锥形捆扎光纤束集成组件
Fully Integrated Assembly of Tapered Fiber Bundle
整体集成组件
掺镱包层泵浦光纤激光器
串级Raman谐振器
基态子能级c
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Yb+3基态与激发态吸收谱
[1]Ground State Absorption [2]Excited State Gain
[1] [2]
Wavelength(nm)
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光纤激光器包层泵浦技术示意图
cladding pumping technology in fiber laser
大
小孔内包层 低阈值,有效吸收
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光子晶体多孔双包层光纤截面扫描电子 显微镜照片
M
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光子晶体多孔双包层光纤激光器强度 分布
M
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参考文献[8]
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梅花瓣形内包层光纤尺寸示意
125μ 90μ 8μ
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第二包层掺氟石英 n=1.40
More diodes are coupled into the fiber
Double cladding doped fiber
Output laser
Special coupler
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并行泵浦示意图
光纤
Z
柱面透镜
泵浦二极管
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泵浦二极管
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大功率宽面多模二极管的并行泵浦技术的优点
泵浦光970nm
光纤光栅100%反射
光纤光栅10%反射
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几种泵浦方式
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多模、包层泵浦示意图 Multi-mode,cladding pumping
包层cladding
掺杂稀土元素的单模纤芯
Rare earth doped single mode core
Pump diode with a broad-area 宽面的泵浦激光二极管
Cladding fiber and care doped rare earth elements 双包层光纤及掺杂稀土元素的纤芯
Laser output 激光输出
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宽面的泵浦激光二极管
多模泵浦二极管其 稳定性很高。几何 上的宽面就使得 LD的断面上的光 功率密度很低且通 过活性面的电流密 度亦很低。这样泵 浦二极管的可靠运 转寿命就会很长。
如果用多个多模激光二极管同 时耦合至双包层光纤上，就可以 获得高功率的激光输出。
这就是被称之为双包层、多模、 并行泵浦技术。
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Yb3+离子能级图
F2 5/2 能级
激发态子能级e
980nm泵浦
F2 7/2能级
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基态子能级a
无辐射跃迁
亚稳态能级d
自发辐射跃迁1.06µm
Bundles with all MM ports for coupling to Yb-doped fiber
Multi-Mode input fiber
1,多模大功率激光二极管泵浦; 2,专门的耦合设计.
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光纤激光器基本结构示意图
Sketch of fiber laser
泵浦光970nm

*转换效率高（可高达20%）；

*寿命长（平均无故障工作时间在10万小时以上）；

*可在恶劣的环境下工作（由于其共振腔置于光纤内部，
即使在高冲击，高震动，高湿度，有灰尘的条件下皆可正常运转，而环境
温度范围允许在-20 C至+70 C之间）；

*无论是连续或脉冲的运转方式皆无需庞大的水冷或风冷系统.
环境相对湿度允许在90%以上，而适应的环境温度 范围可在 – 20 C至+70 C之间。
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单模连续输出掺镱光纤激光器
该光纤激光器能够直接安置在微机械系统内，或微雕 刻和材料处理系统中以及产品打标系统中，无需安装 后的伺服。
该光纤激光器无需换置配件和材料。墙插电转换效率 在20%以上, 其外形紧凑，简便的风冷即可。
1，高功率。一个多模泵浦二极管可辐射出大于100瓦的激光功率， 多个多模泵浦二极管并行设置，即可允许设计出很高功率输出的 光纤激光器。
2，无需热电冷却器。这种大功率的宽面多模二极管可在很高的 温度下工作。
3，很宽的泵浦波长范围。高功率光纤激光器内的活性包层光纤 掺杂了镱稀土元素，有一个很宽且又平坦的光波吸收区 (915-980 nm ),因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置。 4，高可靠性。多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要 高出很多。其几何上的宽面就使得激光器的截面上的光功率密度 很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一来，泵浦二极管 其可靠运转寿命超过能 10万小时。
目前光纤激光器波长范围可以从蓝、绿、红可 见波长到2000nm；
光纤激光器输出的连续激光功率从百毫瓦量级 上升到百瓦的量级,千瓦量级,乃至万瓦量级。
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高功率光纤激光器的主要优点
2019年1月,美国一公司推出一种掺镱的高功率光纤激光器，其连续出功率 高达700瓦 (波长为1.06m), 这种激光器的特点是：
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引言
光纤激光器是当前激光技术研究领域中的前沿 课题，它的研究与应用亦日趋活跃。
国家自然科学基金委和“863”分别将其列入 2019年的重大研究课题和攻关项目。
随着激光二极管及其泵浦技术、光纤材料和工 艺研究的进展，适合多种不同应用目的的光纤 激光器亦缤呈异彩地涌现于世。
其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网 络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域 扩展。
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高功率光纤激光器的应用领域
金属和非金属材料的加工与处理； 激光雕刻； 激光产品打标； 激光焊接，焊缝清理； 精密打孔； 激光检测和测量； 激光图形艺术成像； 激光雷达系统，污染控制； 传感技术和空间技术； 激光医学等等。
只需一般的散热体或简便的风冷即可，

*其外型紧凑体积小（光纤激光器模块的体积大约有一本字典的
大小）；

*方便光纤导出；

*易于系统集成；

*无有体积庞大的电源系统。
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高功率光纤激光器的工作原理-1
光纤激光器是在光纤放大器的基础上而发展起来 的。
它是利用掺杂稀土元素的光纤，再加上一个恰当 的反馈机制便形成了光纤激光器。
在结构上,其设计结实而紧凑,集成化，无光学元件排 列的调准或维修之需;亦无机械稳定性的问题。
光纤传输线可达20米以上。
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单模连续输出100瓦掺镱光纤激光器
掺杂稀土元素的光纤就充当了光纤激光器的增益 介质。
在光纤激光器中有一根非常细的光纤纤芯，由于 外泵浦光的作用，在光纤内便很容易形成高功率 密度，从而引起激光工作物质能级的粒子数反转。
一般是采用光纤光栅构成光纤激光器的谐振腔。
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高功率光纤激光器的工作原理-2
高功率光纤激光器的关键技术:
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掺镱纤芯的吸收光谱
Multimode Absorption (dB/m)
Spectral absorption Yb+3
976nm
915,940nm
Wavelength (nm)
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Multi-mode and parallel pumping
多模、并行泵浦示意图
多个二极管并行泵浦
矩形内包层
花瓣形内包 层
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包层光纤横断面的几何形状
光纤内包层横断面的几何形状是很重要的。
如果设计成圆形，而纤芯又居其中心，这样大 部分的泵浦光就不能横穿过纤芯。
设计出其它光纤内包层横断面的几何形状，以 使更多的泵浦光横穿过纤芯。
例如设计成： 偏心圆式的内包层， 矩形的内包层， 花瓣形的内包层。
高功率光纤激光器及其应用
High Power Fiber Laser & Its Application
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次目
摘要 引言 高功率光纤激光器的工作原理 高功率光纤激光器的特性及其应用展望
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摘要
1，概要地描述高功率光纤激光器的基本 工作原理和关键技术; 2，介绍目前国际市场上刚出现的几种新 颖的高功率光纤激光器,并介绍它们的特 征; 3，对高功率光纤激光器在一些领域中的 应用进行了展望。
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掺稀土元素硅光纤的制作
使用MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)设 备
稀土元素溶液的掺杂
低折射率镀层制做双 包层光纤
超声成型
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高功率光纤激光器的工作原理- 6
若在包层光纤材料中掺杂不同 的稀土元素，例如掺杂铒(Er)， 铥(Tm)，镨(Pr)，镱(Yb)等不同 的稀土元素即会使得光纤激光器 有多种不同的激光波长输出。
用于泵浦的宽面、多模大功率激光二极管; 截面为梅花瓣形的内包层或多孔的双包层光纤； 单模掺镱纤芯; 锥形捆扎或树叉形双包层光纤泵浦光导入口; 特殊耦合技术; 光纤光栅谐振腔.
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高功率光纤激光器的工作原理-3
内包层
掺Yb单模纤芯 外包层
专利设计双包层泵浦光纤之截面图 光纤光栅
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多孔双包层光纤截面扫描电子显微镜照片
From refrences [4参考文献]
core
内包层多孔直径d=2.7m 孔间距=9.7 m
Inner cladding
Outer cladding
外包层多孔直径d=12.3m
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Outer jacket
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多孔双包层光纤截面扫描电子显微镜照片
第一包层熔凝石英
n=1.45
纤芯--掺镱熔凝石英
n=1.46
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Maxwell’s equation
泵浦掺镱光纤,在任意端面形状的包层区和光纤
内光的传播遵从Maxwell’s方程:
E j1 2 E j02P
Z 2k
2k
其中

P0E
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见参考文献[7]
多模锥形捆扎光纤束
输出
高功率泵浦源
1060 nm
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单模连续输出掺镱光纤激光器
10 Watts
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单模连续输出掺镱光纤激光器
市场上已有的5W, 10W, 20W, 50W以及100W 掺镱 光纤激光器是为无需维修的OEM系统中的应用而 设计。
二极管泵浦的光纤激光器发出一1.07m的单模激光, 经带有外套的单模光纤光缆直接引至工作点上。这 种紧凑无伺服的激光器设计使其可在高冲击，高震 动和有灰尘的条件下运转.