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大功率全光纤激光器及其产业化分析

2009-8-7 15:49| 投稿: net

摘要:   摘要:本文介绍了大功率全光纤结构光纤激光器的结构、特点和优势,论述了全光纤激光器研制的关键技术,给出了研究结果,讨论了光纤激光器产业化发展的方向,并对我国光纤激光器产业化发展进行了展望。   关...
  摘要:本文介绍了大功率全光纤结构光纤激光器的结构、特点和优势,论述了全光纤激光器研制的关键技术,给出了研究结果,讨论了光纤激光器产业化发展的方向,并对我国光纤激光器产业化发展进行了展望。   关键词:全光纤激光器,包层泵浦耦合,光纤光栅,长寿命,大功率,产业化   1引言   新世纪开始后,大功率光纤激光器的飞速发展令人振奋,不但谱写了激光技术发展的新篇章,为激光产业的发展注入了新的活力,而且将开辟激光应用的新时代。   在世界范围内,光纤激光器的技术方案已经表现出全光纤结构的明显趋向,这种光路全部由光纤和光纤元件构成的全光纤激光器,从激光的产生到激光的传输,全部在柔软的光纤中进行,从而表现出了众多显著的优越性。   北京光电技术研究所研制的30W单模连续全光纤激光器代表了我国目前全光纤激光器的最好水平,该全光纤激光器的研制成功,标志着我国光纤激光器产业化技术的一次重大突破。   全光纤激光器是光纤激光器实用化和产业化的最佳途径,也是目前唯一进入商业化和产业化的技术方案。发展全光纤激光器涉及双包层光纤、包层泵浦耦合、光纤光栅、大功率多模泵浦半导体激光器和光纤激光器整机5大关键技术,这5大关键技术中有4大关键技术与光纤技术密切相关。   2全光纤激光器的结构、特点和优势   2.1全光纤激光器的典型光路结构和光纤功率合成技术   图1A是一种典型的单端泵浦连续单模大功率全光纤激光器的光路示意图。单端泵浦结构简单,但有源区增益呈指数衰减,分布极不均匀,适合功率不是非常高的情况。   图1B为典型的双向泵浦连续单模大功率全光纤激光器的示意图。双向泵浦结构相对复杂,但有源区增益分布均匀性得到改善,可实现更高功率输出。   目前全光纤激光器单模连续输出功率已经达到2000W。   图2为采用光纤功率合成技术制作多模光纤激光器的光路示意图,采用这种技术,可将多个单模连续光纤激光器的输出功率合成起来,获得数万瓦或更高的光功率输出并且光束质量良好。   人们正在发展的相干合成技术,有望采用这种方式实现光纤激光器的相干合成,实现光纤激光器万瓦量级的单模连续输出。   2.2特点和优势   全光纤激光器具有许多显著特点,这使其在众多方面展现出明显的优势:   1)增益介质的表面积/体积比大   光纤激光器采用光纤做增益介质,具有很大的表面积/体积比,这使其具有非常好的散热性能,因此,即使非常高功率的光纤激光器,增益介质也不会受到热损害,一般无需对增益介质采取特别的散热措施,而其他种类的激光器,增益介质的散热问题是需要重点考虑的,因此,该特点是光纤激光器所独有的。   2)优异的双波导限制机制   高功率全光纤激光器采用双包层有源光纤,这种双包层光纤是一种双波导结构,高功率的多模泵浦光被限制在直径较大的内包层中传输,为采用高功率廉价的多模泵浦光提供了条件,信号激光在直径很小的具有圆对称波导结构的纤芯中产生和传输,在小芯径纤芯波导的限制下,信号激光可获得理想的光束质量和极小的出光光斑直径,这是全光纤激光器独具吸引力的重要特点,在高功率激光器中,目前还没有一种激光器能够超越。优异的光束质量和极小的出光光斑直径在激光应用中具有非常重要的意义,可使后续应用设备的光学系统更简单,体积更小,工作距离更长,激光聚焦光斑更小,工作效率更高,加工深度更深,加工质量更好等等。   3)固有的全封闭柔性光路   全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成,光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接,整个光路完全封闭在光纤波导中。这种天然的全封闭性光路一旦形成,无需另加隔离措施即可自成体系,实现与外界环境的隔离。由于光纤细小并具有很好的柔性,光路可盘绕和沿细小的管道穿行,因此,全光纤激光器能够在比较恶劣的环境下工作,输出光可穿过狭小的缝隙或沿细小的管道进行远距离传输。这些特点在工业应用中优势巨大,激光器不但能适应比较恶劣的工作环境,而且可使激光器远离出光点,可将激光引入到以前很难到达的地方,可非常容易移动和改变出光点,实现多加工点共用一台激光器,可使激光加工设备的设计具有更高的灵活性等等。   4)光路具有免维护特性   如前所述,全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成,光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接,因此,光路一旦完成,即形成一个整体,实践证明,这样形成的连接结构和连接参数将长期保持稳定,如果光纤和光纤元件本身能有长期稳定性,整个光路将长期稳定,无需维护。需要特别指出的是,这种免维护的特性并非不可维护和维修,在需要的情况下,整个光路的维护和维修同样可以进行,因此,与气体和固体等激光器需要频繁的维护和维修相比,全光纤激光器光路的免维护特性异常优异,而与半导体激光器的不可维修性相比,全光纤激光器的可维护性和可维修性又表现出明显的优势。   5)单条宽发光区长寿命多模泵浦激光器   全光纤激光器的光路具有长期的稳定性,因此,需要与之匹配的长寿命泵浦激光器才能获得整机的长寿命。发展低价格的长寿命多模泵浦激光器是发展长寿命光纤激光器的重点。研究表明,半导体激光器的失效率与有源区光功率密度的m次方成正比,m的取值范围在2~3之间;与有源区电流密度的n次方成正比,n的取值范围在3~6之间;与有源区的温度呈指数依赖关系,其数学表达式如下:   其中F为失效率,I为有源区的光功率密度,J为有源区的电流密度,EA为激活能,取值在0.4~0.7之间,KB为波尔兹曼常数,T为有源区温度。   可见,降低有源区光功率密度、电流密度和有源区工作温度对降低失效率有显著意义。单条宽发光区多模泵浦激光器就是根据这一原理而设计的一种长寿命半导体泵浦激光器,其条宽一般取100mm,基本上已接近105/125多模光纤的纤芯直径,其有源区条宽是列阵半导体激光器的几十倍,对单一发光条来说,同样输出功率和同样注入电流情况下,其光功率密度和电流密度将降低几十倍,有源区温度也会有所降低,在忽略其他因素的前提下,单条宽发光区半导体泵浦激光器降低失效率的作用是异常显著的。目前尾纤输出功率大于5W的单条宽发光区半导体泵浦激光器的平均无故障工作时间已经达到50万小时以上。   6)寿命长   从前面的讨论我们已经知道,采用单条宽发光区半导体泵浦激光器作为光纤激光器的泵浦源,全光纤激光器将具备长寿命的特点,因此,制作具有几十万小时的长寿命光纤激光器在技术上已经可行。   7)体积小重量轻   全光纤激光器由于光路可盘绕,光路占用空间较小,在采用单条宽发光区半导体泵浦激光器做泵浦源的情况下,泵浦激光器可分散安装,具有很好的散热特性,在安装密度不高的情况下,采用风冷即可,在安装密度较高的情况下,只需少量通水即可满足散热要求,因此,全光纤激光器的体积比同样输出功率的气体和固体激光器系统更小,重量更轻。   8)输出功率大   光纤激光器输出功率在突破100W以后,输出功率水平飞速增长,只用了三年多时间,达到的输出功率水平已经超过了YAG固体激光器和CO2气体激光器用三十多年达到的输出功率水平,目前光纤激光器的实验室水平已经超过10万瓦,3万瓦的光纤已经商品化,已经销售的光纤激光器,输出功率为17000W。可以预见,光纤激光器将成为长时间连续输出功率最大的激光器。   9)节水节电节成本   光纤激光器具有优异的热性能,电光效率较高,节水节电,尤其重要的是可长期免维护使用,可节约大量维护经费和时间,提高工作效率。   10)造价不断降低   全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成,由于原料易得,在技术、产品和市场成熟之后,可大幅度降低成本。除光路部分外,半导体泵浦激光器是构成光纤激光器成本的主要部分,从光通信的发展历史和经验来看,随着技术的发展和市场容量的不断扩大,大幅度降低半导体泵浦激光器的成本将成为必然趋势。   35大关键技术和发展趋势   3.1特种光纤技术   全光纤激光器需要使用双包层有源光纤、双包层光敏光纤、能量传输光纤等多种特种光纤,随着输出功率的不断提高,对特种光纤的技术要求也越来越高,因此,特种光纤的发展将在光纤激光器的发展中扮演重要角色。以光子晶体光纤为代表的新一代特种光纤会在光纤激光器的发展中逐步得到应用。特种光纤的发展,将使有源光纤的增益更高、承受的功率密度更大、对泵浦光的吸收更有效;将使光栅的制作更容易、光栅的稳定性更好、使光栅在光纤激光器中的用途更广泛;将使能量传输光纤能够传输更高的功率,能够将高功率激光传送更远的距离,能够传输的波长范围不断拓展;将使泵浦耦合更加容易实现,能承受的泵浦功率更高,损耗更小等等。   3.2包层泵浦耦合技术   全光纤激光器的包层泵浦耦合技术对决定光纤激光器性能和水平具有不可估量的作用。用于大功率全光纤激光器的光纤泵浦耦合器件和光纤功率合成器件,均在很高的功率下条件下使用,其耦合效率必须很高,损耗必须很小,承受的功率必须很大,并且,输入光的路数还需要尽可能的多。在如此众多的极限条件要求下,制作优质的泵浦耦合器件和功率合成器件具有很高的难度,不过,实现的方式方法也多种多样,这是一项富有挑战性的技术。从大功率全光纤激光器的发展趋势来看,还要求泵浦耦合器件在将泵浦光耦合到内包层的同时,尽量不影响和损害双包层光纤的纤芯,因为只有这样才能在不影响信号激光的产生和传输的情况下实现级联泵浦,实现超大功率的输出。本文认为,发展对纤芯影响最小的泵浦耦合技术是泵浦耦合器件的发展方向。对于光纤功率合成器件,所追求的目标就是不断提高合成的光功率。   3.3光纤光栅技术   光纤光栅在全光纤激光器中,目前的作用是反射纤芯中的信号激光器形成谐振腔,不过,随着光纤激光器技术的进一步发展,光纤光栅在光纤激光器中会有新的用途,从而对光纤光栅的制作技术提出新的挑战,其中值得关注的方向之一,是在大芯径多模光纤上制作高质量的光纤光栅。   3.4半导体泵浦激光器技术   半导体泵浦激光器是光纤激光器的关键器件,对光纤激光器的可靠性、寿命和制作成本等影响至关重要,发展单条宽发光区长寿命半导体泵浦激光器已经成为光纤激光器用半导体泵浦激光器的一种趋势,不断提高单个激光器的输出功率、不断降低成本和进一步提高可靠性是重点,其中改进和创新封装结构应该是核心工作,因为目前封装成本所占比重还很高。   3.5光纤激光器整机技术   全光纤激光器的整机设计和制作所涉及的知识、内容、技术、工艺、经验和KnowHow较多,是全光纤激光器设计和制作最核心、最关键的技术,尤其在新型大功率全光纤激光器的发展历史还相当短暂的今天,还有大量开创性的工作需要进行。进行全光纤激光器的整机设计和制作,不但需要面向应用进行合理设计,而且肩负着整机结构和方案的改进创新重任、肩负着各重要部件和关键技术的改进和创新重任。目前在世界范围内,进行光纤激光器整机设计和制作的厂家均在创新上有大量的投入。   4我国实用化全光纤激光器的研制进展   北京光电技术研究所是我国最早从事大功率全光纤激光器研制的单位之一,在实用化全光纤激光器的研制方面处于国内前列,已经研制成功的30W单模连续全光纤激光器,各项技术指标处于国内同类产品的领先水平,2005年4月28日由国家计量科学研究院对我们研制的产品进行了测试,2005年7月12日通过了北京市科委组织的科技成果鉴定,鉴定之前,该激光器送用户进行了现场使用,在鉴定会现场,用该激光器进行了现场切割不锈钢薄板的演示。这是由我国自主研制开发的第一台能够在普通环境下投入使用的大功率光纤激光器。由中科院物理所许祖谚院士、北京大学龚旗煌教授、清华大学张书炼教授、北京工业大学李港教授、中国电子科技集团公司第11研究所张世文研究员、北京理工大学辛建国教授、首都师范大学方炎教授组成的专家组对该项成果给予了高度评价。   4.1方案和结构   所研制的全光纤激光器采用图1A所示的光路结构,使用单条宽发光区长寿命半导体多模泵浦激光器作泵浦源,光路设计适合60W以内单模连续工作,实际使用低于50W的泵浦功率获得30W以上单模连续输出。   光路部分发热较少,仅需要考虑泵浦泄漏可能引起的热问题,散热主要针对泵浦激光器,在整机连续输出30W激光功率时,泵浦激光器的热耗散功率约60W,在10℃左右的温升条件下,合理尺寸的散热片自然散热即可,如果在更高的输出功率下工作,加风扇冷却即可。   整机设计重点考虑实用化和商品化,重点发展产业化技术,产品设计寿命大于5万小时,光路具有免维护特性。   4.2参数指标   中国计量科学研究院测试结果如下:   峰值波长:1085.378nm;   光谱半宽:0.302nm;   输出功率:33.3W;   输出光模式:基模;   M2:1.103MX2:1.148MY2:1066;   光光效率69.2%;   电光效率:30.4%。   图3是我们研制的全光纤激光器光束质量测试的部分结果。   5我国光纤激光器产业化发展现状分析   我国商用光纤激光器目前全部依赖进口,原因是我们还没有实现光纤激光器的商品化和产业化。   我国光纤激光器的研制其实并不落后,已经有好几个单位实现了连续200W以上的输出功率,但我国光纤激光器的产业化工作明显滞后。下面分析一下我国光纤激光器产业化发展滞后的原因。   前文已经提到,发展全光纤激光器需要5大关键技术,不难看出,这5大关键技术除半导体泵浦激光器外,其他4大关键技术全部与光纤技术密切相关,准确的说,是与能量光纤技术密切相关。能量光纤技术是以信号光纤技术为基础发展起来的,而信号光纤技术主要是为光纤通信服务的,因此,能量激光和光通信这两个技术领域通过光纤这种特殊的媒质联系起来,使从事光纤和光纤器件研制和生产的单位能够深入地介入这两个技术领域并成为其核心力量。在光通信走入低谷的时候,适逢光纤激光器取得历史性突破之时,国外许多从事光通信光纤器件研制生产的单位开始转向能量光纤器件的研制和开发,以寻求新的发展机遇、拓展生存空间。这些投入能量光纤激光器开发的单位目前已经成为光纤激光器发展的重要力量,为发展新型全光纤激光器作出了巨大贡献。   我国进行光纤器件生产和开发的单位虽然非常多,但总体技术水平较弱,在光通信走入低谷的时候,相关单位基本上只能选择在本行业苦苦支撑或关闭生产线两种方式,无力投入巨大资源进行能量光纤器件的研制和开发,所以,当全光纤激光器飞速发展对能量光纤器件提出迫切需求的时候,我国在这方面基本上还是一片空白。对于我国最早从事光纤激光器研制的单位来说,面对国内的这种局面,发展全光纤激光器基本上没有基础可言,因此,透镜整形聚焦端面泵浦外腔结构的方案成为现实选择。这种结构很接近传统的全固态激光器,对光纤技术的依赖程度很低,采用非光纤技术即可制作。但是,实践证明,光纤激光器只有采用全光纤结构才能充分体现整体的一致性、完整性、和谐性和匹配性,采用充分展现光纤激光器的优势,因此,全光纤结构方案更加符合光纤激光器发展的本质规律,所以,在世界范围内,全光纤激光器成为主流方案有其必然性。   全光纤激光器需要能量激光器技术与光纤技术有机结合起来,从某种程度上来说,光纤技术在光纤激光器的发展中所占的比重很大,因此,能量激光技术和能量光纤技术是光纤激光器发展不可或缺的两条腿。目前,我国从事光纤器件研制和生产的单位仍然主要集中在光纤通信的产业链条之中,涉足能量激光技术的很少,这是我国光纤激光器发展面临的巨大问题。本文希望我国从事光纤器件研制和生产的单位突破行业界限,关注光纤激光器的发展,积极参与新型能量光纤器件的研制开发,为我国光纤激光器国产化和产业化作出贡献。应该看到,新型大功率全光纤激光器具有广阔的市场,发展能量型光纤器件,对于光纤器件研制生产单位是大有作为的。还应该看到,国外光纤激光器取得突飞猛进的发展也是最近几年的事情,尽管我国目前与国外的水平差距很大,但是落后的时间并不长,只要我国光纤器件的研制生产单位积极开展相关产品的研制开发工作,我们是能够在光纤激光器的研制生产方面站在国际前列的。   6结束语   我国光纤激光器的发展与国际先进水平相比,差距较大,但我们已经起步,北京光电技术研究所已经研制成功我国首台能够在一般环境下应用的新型大功率全光纤激光器,迈出了我国光纤激光器实用化和产业化的关键一步。   全光纤激光器5大关键技术中,有4大关键技术与光纤技术相关,可见,我国光纤器件研制生产单位应该成为我国光纤激光器发展的主力军和生力军,只有这样,我国光纤激光器国产化和产业化的目标才能早日实现。   作者:北京光电技术研究所伍 峰

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