光纖激光器 DATE: 2022-05-09 13:39
背景介紹
光纖激光器應用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船、汽車(chē)制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設，作為其他激光器的泵浦源等等。
光纖激光器應用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船、汽車(chē)制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設，作為其他激光器的泵浦源等等。
光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開(kāi)發(fā)出出來(lái)。在泵浦光作用下光纖內很容易形成功率密度升高，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數反轉”，當適當加入正反饋回路(構成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。
結構
激光信號的產(chǎn)生需具備粒子數反轉、存在光反饋和達到激光閾值三個(gè)基本條件，因此激光器是由工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔三部分組成。光纖激光器的基本結構如下，增益光纖為產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)；抽運光的作用是作為外部能量使增益介質(zhì)達到粒子數反轉，也就是泵浦源；光學(xué)諧振腔由兩個(gè)反射鏡組成，作用是使光子得到反饋并在工作介質(zhì)中得到放大。抽運光進(jìn)入增益光纖后被吸收，進(jìn)而使增益介質(zhì)中能級粒子數發(fā)生反轉，當諧振腔內的增益高于損耗時(shí)在兩個(gè)反射鏡之間便會(huì )形成激光振蕩，產(chǎn)生激光信號輸出。
產(chǎn)品介紹
(1)光束質(zhì)量好。
光纖激光器(2)高效率。
光纖激光器通過(guò)選擇發(fā)射波長(cháng)和摻雜稀土元素吸收特性相匹配的半導體激光器為泵浦源，可以實(shí)現很高的光一光轉化效率。對于摻鐿的高功率光纖激光器，一般選擇915納米或975納米的半導體激光器，熒光壽命較長(cháng)，能夠有效儲存能量以實(shí)現高功率運作。商業(yè)化光纖激光器的總體電光效率高達25%，有利于降低成本，節能環(huán)保。
(3)散熱特性好。
光纖激光器是采用細長(cháng)的摻雜稀土元素光纖作為激光增益介質(zhì)的，其表面積和體積比非常大。約為固體塊狀激光器的1000倍，在散熱能力方面具有天然優(yōu)勢。中低功率情況下無(wú)需對光纖進(jìn)行特殊冷卻，高功率情況下采用水冷散熱，也可以有效避免固體激光器中常見(jiàn)的由于熱效應引起的光束質(zhì)量下降及效率下降。
(4)結構緊湊，可靠性高。
由于光纖激光器采用細小而柔軟的光纖作為激光增益介質(zhì)，有利于壓縮體積、節約成本。泵浦源也是采用體積小、易于模塊化的半導體激光器，商業(yè)化產(chǎn)品一般可帶尾纖輸出，結合光纖布拉格光柵等光纖化的器件，只要將這些器件相互熔接即可實(shí)現全光纖化，對環(huán)境擾動(dòng)免疫能力高，具有很高的穩定性，可節省維護時(shí)間和費用。 [3]
類(lèi)型
一、按照光纖材料的種類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)
1、晶體光纖激光器。工作物質(zhì)是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和nd3+：YAG單晶光纖激光器等。
2、非線(xiàn)性光學(xué)型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。
3、稀土類(lèi)摻雜光纖激光器。光纖的基質(zhì)材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類(lèi)元素離子使之激活，而制成光纖激光器。
4、塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內摻入激光染料而制成光纖激光器。
二、按增益介質(zhì)分類(lèi)為：
1、晶體光纖激光器。工作物質(zhì)是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和Nd3+:YAG單晶光纖激光器等。
2、非線(xiàn)性光學(xué)型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。
3、稀土類(lèi)摻雜光纖激光器。向光纖中摻雜稀土類(lèi)元素離子使之激活，(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基質(zhì)可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單晶)而制成光纖激光器。
4、塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內摻入激光染料而制成光纖激光器。
三、按諧振腔結構分類(lèi)
分為F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔、DBR光纖激光器、DFB光纖激光器等。
四、按光纖結構分類(lèi)
分為單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光器、特種光纖激光器。
五、按輸出激光特性分類(lèi)
分為連續光纖激光器和脈沖光纖激光器，其中脈沖光纖激光器根據其脈沖形成原理又可分為調Q光纖激光器(脈沖寬度為ns量級)和鎖模光纖激光器(脈沖寬度為ps或fs量級)。
優(yōu)勢
光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有以下優(yōu)勢：
（1）玻璃光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可繞性所帶來(lái)的小型化、集約化優(yōu)勢；
（2）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配，這是由于玻璃基質(zhì)Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；
（3）玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以轉換效率較高，激光閾值低；
（4）輸出激光波長(cháng)多：這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類(lèi)之多；
（5）可調諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。
（6）由于光纖激光器的諧振腔內無(wú)光學(xué)鏡片，具有免調節、免維護、高穩定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統激光器無(wú)法比擬的。
（7）光纖導出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應用，使機械系統的設計變得非常簡(jiǎn)單。
（8）勝任惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。
（9）不需熱電制冷和水冷，只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷。
（10）高的電光效率：綜合電光效率高達20%以上，大幅度節約工作時(shí)的耗電，節約運行成本。
（11）高功率,商用化的光纖激光器是六千瓦。
應用
1、標刻應用
脈沖光纖激光器以其優(yōu)良的光束質(zhì)量，可靠性，最長(cháng)的免維護時(shí)間，最高的整體電光轉換效率，脈沖重復頻率，最小的體積，無(wú)須水冷的最簡(jiǎn)單、最靈活的使用方式，最低的運行費用使其成為在高速、高精度激光標刻方面的唯一選擇。
一套光纖激光打標系統可以由一個(gè)或兩個(gè)功率為25W的光纖激光器，一個(gè)或兩個(gè)用來(lái)導光到工件上的掃描頭以及一臺控制掃描頭的工業(yè)電腦組成。這種設計比用一個(gè)50W激光器分束到兩個(gè)掃描頭上的方式高出達4倍以上的效率。該系統最大打標范圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標刻范圍內絕對定位精度是+/-100um。100um工作距離時(shí)的聚焦光斑可小到15um。
2、材料處理的應用
光纖激光器的材料處理是基于材料吸收激光能量的部位被加熱的熱處理過(guò)程。1um左右波長(cháng)的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收。
3、材料彎曲的應用
光纖激光成型或折曲是一種用于改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術(shù)。集中加熱和快速自冷切導致在激光加熱區域的可塑性變形，永久性改變目標工件的曲率。研究發(fā)現用激光處理的微彎曲遠比其他方式具有更高的精密度，同時(shí)，這在微電子制造是一個(gè)很理想的方法。
4、激光切割的應用
隨著(zhù)光纖激光器的功率不斷攀升，光纖激光器在工業(yè)切割方面得以被規?；瘧?。比如：用快速斬波的連續光纖激光器微切割不銹鋼動(dòng)脈管。由于它的高光束質(zhì)量，光纖激光器可以獲得非常小的聚焦直徑和由此帶來(lái)的小切縫寬度正在刷新醫療器件工業(yè)的標準。