我国商用光纤激光器的应用现状及发展

我国商用光纤激光器的应用现状及发展

2011/1/25 14:59:16 标签：光纤激光器现状发展应用

1 引言

近年来，随着各种关键技术的突破，光纤激光器得到了长足的发展。作为第三代激光技术的代表，光纤激光器具有其他激光器无可比拟的技术优越性。这几年随着各种商用光纤激光器的面市，光纤激光器被应用到众多领域。本文主要介绍国内外光纤激光器的最新应用进展及我国商用光纤激光器现状及发展。

2 光纤激光器的应用

2.1 光纤激光器在工业上的应用

工业生产要求激光器可靠性高、体积小、安全、便于操作。光纤激光器以其结构紧凑、光转换效率高、预热时间短、受环境因素影响小、免维护以及容易与光纤或由光学镜片组成导光系统耦合等优点受到人们的广泛关注。

目前，光纤激光器正逐步取代传统激光器在激光打标、激光焊接、激光切割等领域的主导地位。在打标领域，由于光纤激光器具有较高的光束质量和定位精度，光纤打标系统正取代效率不高的二氧化碳激光和氙灯抽运的Nd:YAG脉冲激光打标系统；在欧美及日本市场，这种取代正大规模地进行着，仅在日本，每月的需求量就超过100台。我国作为世界上最大的工业制造国，对光纤激光打标机的需求是十分巨大的，估计每年有超过2000台的需求量。在激光焊接和切割领域，随着上千瓦甚至几万瓦光纤激光器的研制成功，光纤激光器也得到了应用。此前，IPG报道，德国宝马汽车公司购买了他们的高功率光纤激光器用在车门焊接生产线上。

2.2 光纤激光器在传感上的应用

较之于其他光源，光纤激光器被用作传感光源有许多优势。首先，光纤激光器有效率高、可调谐、稳定性好、紧凑小巧、重量轻、维护方便和光束质量好等优异性能。其次，光纤激光能很好地与光纤耦合，与现有的光纤器件完全兼容，能进行全光纤测试。

目前，基于可调谐窄线宽光纤激光器的光纤传感是该领域的应用热点之一。该类型光纤激光器的光谱线宽很窄，具有超长相干长度，并且可以对频率进行快速调制。把这种窄线宽光纤激光器应用到分布式传感系统，可实现超长距离、超高精度的光纤传感。在美国和欧洲，这种基于可调谐窄线宽光纤激光器的传感技术被广泛应用到国土安全及重要设施监测、石油/天然气管道监测以及水下声纳探测等众多领域。我国估计每年对这种类型光纤激光器的需求量也在100台以上。

2.3 光纤激光器在通讯上的应用

光纤激光器相比于常规激光系统在结构紧凑性、散热、光束质量、体积以及与现有系

统的兼容性等方面具有显著优势，在通讯领域得到广泛的应用。

掺稀土光纤为增益介质的锁模光纤激光器可以产生高重复率、脉宽为皮秒或飞秒量级的超短光脉冲，而且其激射波长又落在光纤通信的最佳窗口1.55 μm波段上，是未来高速光通信系统的理想光源。目前，10GHz 与40 GHz重复频率的锁模光纤激光器已经研制成功。一旦这种通讯网络铺设开展，对这类型激光器的需求将是巨大的。

2.4 光纤激光器在医疗上的应用

现在，用于临床的激光器大多是氩离子激光器、二氧化碳激光器和YAG激光器，但通常它们光束质量不高，具有非常大的体积，需要庞大的水冷系统，并且安装和维护非常麻烦，而这些恰恰是光纤激光器可以弥补的。因为水分子在2 μm有一个吸收峰，将2 μm光纤激光器用作外科手术工具可以实现快速止血，减少手术对人体组织的破坏。

超快光纤激光器是目前最活跃的研究领域之一，其在医疗领域也有十分重要的应用。目前，生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。人们也在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。另外，利用其超短脉冲，医学研究者们也研究其在医学成像方面的应用。随着各种研究的深入，用于医疗的光纤激光器需求也必将迅速增加。

2.5 光纤激光器在军事上的应用

高功率、高质量激光武器一直是军事领域防御和进攻武器的研究重点。高功率光纤激光器以其高亮度、小照射面积、体积小等优点越来越受到重视。另外，在定位、测距、遥感、跟踪制导和模拟打靶等领域中，光纤激光器作为一种有效的工具也备受青睐。

3 我国光纤激光器的发展现状及根源

从上面的论述可以看出，我国对光纤激光器的需求是十分巨大的，但目前，我国绝大部分的光纤激光依靠进口，国内很少有公司能生产性能好的商用光纤激光器，这也使得我国在光纤激光的应用上远远落后于国外。是什么导致我国的光纤激光产业化严重滞后呢？本人认为是由于我国对研制专门用于光纤激光器的光纤器件滞后所引起的。

众所周知，光纤激光器的构成除了抽运激光器和电路外，其他都是光纤和各种光纤器件。一般认为，光纤激光器有5项关键技术：1) 特种光纤技术；2) 包层抽运耦合技术；3) 光纤光栅技术；4)半导体抽运激光器技术；5)光纤激光器整机技术。在这5项关键技术中，除了半导体抽运激光器外，其他4项关键技术全部与光纤技术密切相关，准确地说，是与能量光纤技术密切相关。而能量光纤技术又是在信号光纤技术的基础上发展起来的。信号光纤技术主要是为光通讯服务的。在国外，当光通信走入低谷，而光纤激光器取得突破时，很多从事光通信光纤器件研制生产的企业转向到能量型的专门用于光纤激光器的器件的研制和生产。而在国内，虽然有很多从事光通信光纤器件研发的企业，但直到现在，专门生产光纤激光器用器件的公司仍非常少，而且面向的市场也大多是国外。正是这种基础上的空白导致我国光纤激光产业的滞后。

所以，大力发展专门用于光纤激光器的光纤器件是我国光纤激光产业化的必由之路。而发展高功率光纤器件是其中的重中之重，光纤激光器最重要的一个发展方向是往高功率发展，而且用于制造高功率光纤激光器的器件必须能承受高功率，普通的用于光通信的器件是无法做到的。另外，保偏器件也是其中重点的器件之一，对于锁模光纤激光器，由于机械振动引起的激光在谐振腔内偏振态的起伏，以及偏振模色散会导致脉冲振幅的抖动和光波长的漂移。消除这种影响的有效方法是采用全保偏光纤谐振腔，即使用保偏掺铒光纤和保偏单模光纤、偏振无关隔离器、保偏耦合器和偏振控制器，这些器件的使用可以有效地提高输出锁模脉冲的稳定性。