光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊、電光效率高，一個重要的原因是采用半導(dǎo)體激光器作為泵浦源。半導(dǎo)體激光器采用PN結(jié)作為發(fā)光光源，電泵浦直接出光，電光效率在50%左右。目前單芯片出光功率已經(jīng)突破30W，采用空間合成、偏振合成和光譜合成等多種方式進一步提升功率至數(shù)百瓦。合成之后的半導(dǎo)體激光通過透鏡耦合進入輸出尾纖，并經(jīng)合束器進入增益光纖。
目前摻鐿光纖激光器主要的泵浦波長有三種，即915nm、976nm和1018nm，其中前兩種主要在工業(yè)產(chǎn)品中使用，最后一種目前主要用于超高單纖功率科研產(chǎn)品中。摻鐿光纖激光器的泵浦波長的選擇主要是由摻鐿光纖（YDF）的吸收發(fā)射譜所決定的，如圖1所示。
可見，YDF在915nm附近和976nm附近各有一個吸收峰，其中915nm的吸收峰的吸收截面為976nm吸收峰的1/3，而915nm吸收峰的寬度則遠大于976nm吸收峰。吸收峰的特征也決定了為何早期工業(yè)激光器絕大部分采用915nm而非976nm作為泵浦源。近年來，隨著976nm芯片和封裝技術(shù)的日漸成熟，基于976nm泵浦的激光器效率更高，成本更低，976nm泵浦技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域也逐漸開始大規(guī)模應(yīng)用。
隨著激光器功率的不斷提升，常規(guī)的半導(dǎo)體泵浦亮度已經(jīng)很難滿足要求超高功率單纖輸出的要求，IPG最早提出了基于1018nm級聯(lián)泵浦方案，并基于此方案實現(xiàn)了單纖20kW的功率輸出，如圖2所示。1018nm級聯(lián)泵浦的基本思路是，先利用976nm的半導(dǎo)體激光泵浦產(chǎn)生1018nm激光，將激光亮度提升數(shù)個量級，然后再將1018nm激光進行合束，并用于泵浦1080nm的激光，單纖激光器功率提升的泵浦亮度限制被打開。
1018nm的光纖激光器作為高亮度泵浦源優(yōu)勢明顯，但是這種波長位于摻鐿光纖的吸收譜的邊緣，吸收系數(shù)僅相當(dāng)于976nm的峰值吸收系數(shù)的1/18。并且，1018nm的激光器產(chǎn)生過程極易發(fā)生自激現(xiàn)象，出現(xiàn)不穩(wěn)定的1030nm光譜，從而導(dǎo)致激光器發(fā)生破壞。為了抑制激光器不穩(wěn)定的自激效應(yīng)，光至科技基于理論設(shè)計和工程優(yōu)化完成了子束350W，合成超過6500W的1018nm激光器輸出。
子束采用轉(zhuǎn)換效率最高的20/130光纖體系，實現(xiàn)單模塊350W高功率高亮度輸出。采用19*1信號合束器，極高的合成效率實現(xiàn)大于6500W功率輸出，且輸出光纖為135/155/NA0.22規(guī)格，適合作為單纖20kW甚至30kW的激光器泵浦源。
光纖激光器的功率提升之路還在持續(xù)，適用的工作場景越來越多，工程化程度也越來越高，市場前景廣闊，大有可為。這些成果的取得一方面得益于我國在高功率光纖激光器領(lǐng)域研發(fā)的持續(xù)大量的投入，突破了關(guān)鍵材料、器件和系統(tǒng)的核心技術(shù)，培養(yǎng)了一批專業(yè)人才，另一方面得益于近年來光纖激光器在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，使得整個產(chǎn)業(yè)鏈更為完整，規(guī)模化優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。
來源：OFweek激光
|
中文版
ENGLISH
