高功率光纤激光器及其应用

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；
目前光纤激光器波长范围可以从蓝、绿、红可 见波长到2000nm；
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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
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.
*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.
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
高功率光纤激光器及其应用
High Power Fiber Laser & Its Application
2020/5/18
中国科学院广州电子技术研究所 王天及
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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
2020/5/18
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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。
掺杂稀土元素的单模纤芯
Rare earth doped single mode core
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
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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。
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高功率光纤激光器的主要特性
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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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。
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。
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：
*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）；
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:
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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光纤激光器基本结构示意图
Sketch of fiber laser
泵浦光970nm
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
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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。
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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高功率光纤激光器的工作原理-3
来自百度文库
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
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
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。
2020/5/18
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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。
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。