最新激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
四、工业材料的激光切割：金属材料的激光切割和非金属材料的激光切割
13
9.1.1 半导体激光器
1.光纤通信对半导体激光器光源的要求 半导体激光器是激光器中的一个大家族。它与固体激光器、气体激光器以及其 它类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、 使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。图9-1给出了光发射端机的 工作原理。
图9-3 三电极DBR-LD结构示意图
16
9.1.1 半导体激光器
2. 作为通信光源的半导体激光器 (4)垂直腔面发射激光器 光数据传输和交换的多通道往往需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激 光器（VCSEL）是一个很好的选择。它与边发射激光器最大的不同点是：出射光 垂直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。图9-4为其典型结构图，其 上下分别为分布布拉格反射（DBR）介质反射镜，中间（InGaAsN）为量子阱有 源区，氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由P、N电极注入， 光由箭头方向发出。
图9-1 光发射端机组成方框图
2. 作为通信光源的半导体激光器 半导体激光器是光纤通信用的主要光源，由于光纤通信系统具有不同的应用层 次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。
14
9.1.1 半导体激光器
2. 作为通信光源的半导体激光器
(1) 法布里－珀罗激光器 法布里－珀罗激光器（FP-LD）是最常见、最普通的半导体激光器，它的谐振 腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术 已经相当成熟。FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用于调制速度 小于622Mbit/s的光纤通信系统。
2）材料的反射、吸收和导热性
※光波照射在不透明的物体表面时， 一部分被反射，一部分被吸收；不 同材料的反射率和波长有密切的关系；
R
(1)2 (1)2
k2 k2
※设入射到材料表面的光强为I0，材料吸收系数为α，则进入到材料内部 距表面距离为x处的光强为
I I0ex
2
7.3 激光打孔
二、激光打孔工艺参数的影响
12
7.4 激光切割
三、激光切割的工艺参数及其规律
※ 气体的压力：在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切 割速度最快。随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。 ※ 光束在质量、透镜焦距和离焦量：激光器输出光束的模式为基横模时对激光切 割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较 小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须 保持不变，一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。 ※ 喷嘴：喷嘴是影响激光切割质量和效率的—个重要部件。激光切割一般采用 同轴(气流与光轴同心)喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷 嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距 离必须保持不变。
※ 激光打孔中离焦量对打孔的影响 当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一 位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大 降低，以至打成盲孔（图7-15）。
图7-15 离ห้องสมุดไป่ตู้量对打孔质量的影响
9
7.3 激光打孔
二、激光打孔工艺参数的影响
※ 脉冲激光的重复频率对打孔的影响 用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高 ，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。
2、激光切割的特点：
图7-17 激光切割头的结构示意图
11
7.4 激光切割
二、激光切割分类及其机理
※ 汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分 材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ /cm2左右，是无熔化材料的切割方式 ※ 熔化切割: 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流 将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右
图9-2 DFB-LD结构示意图
#在DFB-LD制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染
和损伤，于是又提出了图9-2所示的DFB-LD结构
15
9.1.1 半导体激光器
2. 作为通信光源的半导体激光器 (3)分布布拉格反射半导体激光器 考虑到布拉格光栅反射性好的特点，将光栅置于激光器谐振腔的两侧或一侧， 增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜，这样就构成 了DBR-LD。其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导 体激光器，其原理性结构如图9-3。
激光加工技术光纤通信系统 中的激光器和光放大器
7.1 激光加工的一般原理
1.激光加工大都基于光对非透明介质的热作用，也即吸收光能引起的热效应。 因此激光光束特性、材料对光的吸收作用以及导热性等有重大影响；
1）光束特性
例：一个CO2激光器，设聚焦前透镜面上光斑尺寸 10mm ，有效截面输出功
率为200W，透镜焦距f＝10mm，求透镜后焦点处光斑有效截面内的平均功率密 度？
※ 氧助熔化切割: 金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应 （即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体 压力将氧化物从切缝中吹掉。
三、激光切割的工艺参数及其规律
※ 激光功率: 激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。 ※ 切割速度: 在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表 面粗糙度也有较大影响。
(2)分布反馈半导体激光器
#实现动态单纵模工作的最有效的方法之
一就是在半导体内部建立一个布拉格光 栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选 择。分布反馈布拉格半导体激光器 （ DFB-LD ） 的 特 点 在 于 光 栅 分 布 在 整 个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增 益，因此其单色性优于一般的FP-LD。
※ 被加工材料对打孔的影响 材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同 的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。
10
7.4 激光切割
一、激光切割的原理与特点
1、切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm）使焦点处 达到很高功率密度（可超过106W/cm2）。如图7-17所示为激光切割头的结构， 除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。
13
9.1.1 半导体激光器
1.光纤通信对半导体激光器光源的要求 半导体激光器是激光器中的一个大家族。它与固体激光器、气体激光器以及其 它类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、 使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。图9-1给出了光发射端机的 工作原理。
图9-3 三电极DBR-LD结构示意图
16
9.1.1 半导体激光器
2. 作为通信光源的半导体激光器 (4)垂直腔面发射激光器 光数据传输和交换的多通道往往需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激 光器（VCSEL）是一个很好的选择。它与边发射激光器最大的不同点是：出射光 垂直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。图9-4为其典型结构图，其 上下分别为分布布拉格反射（DBR）介质反射镜，中间（InGaAsN）为量子阱有 源区，氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由P、N电极注入， 光由箭头方向发出。
图9-1 光发射端机组成方框图
2. 作为通信光源的半导体激光器 半导体激光器是光纤通信用的主要光源，由于光纤通信系统具有不同的应用层 次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。
14
9.1.1 半导体激光器
2. 作为通信光源的半导体激光器
(1) 法布里－珀罗激光器 法布里－珀罗激光器（FP-LD）是最常见、最普通的半导体激光器，它的谐振 腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术 已经相当成熟。FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用于调制速度 小于622Mbit/s的光纤通信系统。
2）材料的反射、吸收和导热性
※光波照射在不透明的物体表面时， 一部分被反射，一部分被吸收；不 同材料的反射率和波长有密切的关系；
R
(1)2 (1)2
k2 k2
※设入射到材料表面的光强为I0，材料吸收系数为α，则进入到材料内部 距表面距离为x处的光强为
I I0ex
2
7.3 激光打孔
二、激光打孔工艺参数的影响
12
7.4 激光切割
三、激光切割的工艺参数及其规律
※ 气体的压力：在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切 割速度最快。随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。 ※ 光束在质量、透镜焦距和离焦量：激光器输出光束的模式为基横模时对激光切 割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较 小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须 保持不变，一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。 ※ 喷嘴：喷嘴是影响激光切割质量和效率的—个重要部件。激光切割一般采用 同轴(气流与光轴同心)喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷 嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距 离必须保持不变。
※ 激光打孔中离焦量对打孔的影响 当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一 位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大 降低，以至打成盲孔（图7-15）。
图7-15 离ห้องสมุดไป่ตู้量对打孔质量的影响
9
7.3 激光打孔
二、激光打孔工艺参数的影响
※ 脉冲激光的重复频率对打孔的影响 用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高 ，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。
2、激光切割的特点：
图7-17 激光切割头的结构示意图
11
7.4 激光切割
二、激光切割分类及其机理
※ 汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分 材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ /cm2左右，是无熔化材料的切割方式 ※ 熔化切割: 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流 将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右
图9-2 DFB-LD结构示意图
#在DFB-LD制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染
和损伤，于是又提出了图9-2所示的DFB-LD结构
15
9.1.1 半导体激光器
2. 作为通信光源的半导体激光器 (3)分布布拉格反射半导体激光器 考虑到布拉格光栅反射性好的特点，将光栅置于激光器谐振腔的两侧或一侧， 增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜，这样就构成 了DBR-LD。其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导 体激光器，其原理性结构如图9-3。
激光加工技术光纤通信系统 中的激光器和光放大器
7.1 激光加工的一般原理
1.激光加工大都基于光对非透明介质的热作用，也即吸收光能引起的热效应。 因此激光光束特性、材料对光的吸收作用以及导热性等有重大影响；
1）光束特性
例：一个CO2激光器，设聚焦前透镜面上光斑尺寸 10mm ，有效截面输出功
率为200W，透镜焦距f＝10mm，求透镜后焦点处光斑有效截面内的平均功率密 度？
※ 氧助熔化切割: 金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应 （即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体 压力将氧化物从切缝中吹掉。
三、激光切割的工艺参数及其规律
※ 激光功率: 激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。 ※ 切割速度: 在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表 面粗糙度也有较大影响。
(2)分布反馈半导体激光器
#实现动态单纵模工作的最有效的方法之
一就是在半导体内部建立一个布拉格光 栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选 择。分布反馈布拉格半导体激光器 （ DFB-LD ） 的 特 点 在 于 光 栅 分 布 在 整 个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增 益，因此其单色性优于一般的FP-LD。
※ 被加工材料对打孔的影响 材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同 的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。
10
7.4 激光切割
一、激光切割的原理与特点
1、切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm）使焦点处 达到很高功率密度（可超过106W/cm2）。如图7-17所示为激光切割头的结构， 除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。