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          高功率連續光纖激光器發展歷程及技術演進分析
          發布時間:2022-09-08    來源:國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心 趙水   閱讀次數:62 分享到:

          近年來,隨著我國科學技術的進一步發展,激光器技術在軍事、醫學以及工業等領域得到了廣泛的應用。但是由于最初的激光器的轉換效率、散熱性較差,所以不能夠滿足現有社會對激光器的需求。高功率連續光纖激光器技術在傳統激光技術的基礎上不僅提升了輸出功率和轉換效率,同時有望全面取代傳統的固體激光器。

          高功率連續光纖激光器近30年發展歷程 

          相較于國外而言,我國在激光器領域的研究起步相對較晚,追溯最早研究時間約在 20世紀80年代末期,近10年內,我國各大高校和研究機構,在激光器領域的研究側重點在于摻鐿雙包層光纖激光器,我國于 2006年首次將摻鐿雙包層光纖激光器的輸出功率提高到千瓦級別,并首次將 1KW 光纖激光器推向了激光器市場生產鏈中,并實現了商用量產。1KW光纖激光器所應用的核心器件為 20/400 有源光纖、泵浦合束器等,國外IPG公司對光纖激光器的高功率連續輸出展開縱深研究,2012年,國內企業通過進一步提升光纖激光器的輸出功率,首次將輸出功率提高到20KW。而后我國的天之星公司于2017年將光纖激光器的輸出功率提升至2KW。我國近30年來光纖激光器領域呈快速發展趨勢,尤其是最近幾年,相關領域的曾報道我國的光纖激光器輸出功率突破萬瓦。 

          高功率光纖激光器的技術演進

          光纖激光器結構的優化 

          1、空間光泵浦結構 

          早期的光纖激光器大多應用光泵浦輸出、激光輸出,其輸出功率較低,要想在短時間內快速的提升光纖激光器的輸出功率存在較大的難度。1999年光纖激光器研發領域的輸出功率首次破萬瓦,該光纖激光器的結構主要為利用光雙向泵浦的方式,構成一個諧振腔,具調查該光纖激光器的斜率效率達到了 58.3%。 

          但是利用光纖泵浦光與激光耦合技術研制光纖激光器雖然能夠有效的提升光纖激光器的輸出功率,但同時也存在復雜性,不利于光學鏡片搭建光路,一旦在搭建光路的環節中需要搬移激光器,那么光路也需求重新調整,這一問題限制了光泵浦結構光纖激光器的廣泛應用。

          2、直接振蕩器結構和 MOPA 結構 

          隨著光纖激光器的發展包層功率剝離器等逐步替代了透鏡部件,使光纖激光器的研制步驟得到了簡化,間接的提升了光纖激光器的維護效率,這一發展趨勢象征著光纖激光器逐漸走向實用性。直接振蕩器結構和MOPA結構是目前市面上光纖激光器最為常見的兩種結構。直接振蕩器結構是光柵通過在振蕩的過程中選定波長,而后輸出所選定的波長,而MOPA則是將光柵選定的波長作為種子光,種子光在一級放大器的作用下被放大,所以光纖激光器的輸出功率也會隨之得到一定程度的提升。較長的一段時間MPOA結構的光纖激光器被作為高功率光纖激光器的首選結構,但是后續的研究發現該結構中高功率輸出容易導致光纖激光器內部空間分布不穩定,所輸出的激光亮度會受到一定程度的影響,這一因素對于高功率輸出效果也同樣存在直接的影響。 

          同帶泵浦技術的發展

          早期的摻鐿光纖激光器的泵浦光波長通常為915nm或975nm,但是這兩個泵浦波長是鐿離子的吸收峰,所以將其稱為直接泵浦,直接泵浦并未得到廣泛應用的原因為量子損耗量大。同帶泵浦技術是在直接泵浦基礎上而延伸出來的技術,其中泵浦波長、發射波長之間的波長相近,同帶泵浦的量子虧損率相較于直接泵浦小,同帶泵浦技術的基礎上IPG公司將單纖單模輸出的光纖激光器輸出功率提升至 10KW。 

          第一,有源光纖技術的發展 早期的有源光纖主要為小纖芯(≤10μm),后期的有源光纖主要為大纖芯(LMA 光纖)。自 Hong Po 提出雙包層光纖應用后,有源光纖的功率水平得到了有效的提升。 


          高功率光纖激光器技術發展瓶頸

          雖然光纖激光器在軍事、醫療等多個行業領域具備較高的應用價值,我國通過近 30年的技術研發,推動著光纖激光器的廣泛應用,但是如果要想使光纖激光器能夠輸出更高的功率,現有的技術仍存在諸多瓶頸,例如光纖激光器的輸出功率是否能夠達到單纖單模36.6KW;泵浦功率對光纖激光輸出功率的影響;熱透鏡效應對光纖激光器輸出功率的影響等。

          此外光纖激光器更高功率輸出技術的研究還應考慮到橫向模式的穩定性問題、光子暗化效應問題。通過調查證明確橫向模式不穩定的影響因素為光纖發熱,而光子暗化效應主要指的是當光纖激光器連續輸出數百瓦或數千瓦功率時,輸出的功率會呈現快速下降的趨勢,對于光纖激光器的連續高功率輸出存在一定程度的限制。

          雖然目前國內外對光子暗化效應的具體成因并未作出明確的界定,但是,大部分的觀點認為氧缺陷中心、電荷轉移吸收都能夠導致光子暗化效應的發生,就這兩點因素提出以下方式對光子暗化效應進行抑制,通過對有源光纖的纖芯組成成分進行優化配置,如鋁元素、磷元素等,從而避免電荷轉移吸收,而后將優化后的有源光纖進行試驗適用,具體的標準為,連續數小時保持3KW功率輸出、連續百小時保持1KW 功率穩定輸出。 

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