大功率光纖激光器將是第三代最先進(jìn)的工業(yè)加工、印刷、通信、醫(yī)療、化工,尤其是國防使用的重要器件。國際上普遍采用光纖激光技術(shù)于造船、汽車制造行業(yè)進(jìn)行焊接、切割、打孔等工藝操作。歐美發(fā)達(dá)國家中,有50%-70%的汽車零部件采用激光加工。美國建造新的船舶廣泛使用激光焊接一些高強(qiáng)度,低合金鋼的T型構(gòu)件。為了使船舶平板適應(yīng)海洋流體力學(xué)要求,這些構(gòu)件都被設(shè)計(jì)成三維曲率形狀,而此種造型只有用光纖激光器加工才能實(shí)現(xiàn)。用激光輔助平板造型技術(shù),完全可以取代費(fèi)時(shí)、費(fèi)力而且還有一定危險(xiǎn)性的機(jī)械加熱成型工藝。日本Kawasaki重工造船業(yè),德國的Meyer& Werft造船廠等都安裝了大功率的激光加工系統(tǒng),并且抓緊開發(fā)2kW,6kW和更高如10kW光纖激光加工系統(tǒng)。歐洲正在加強(qiáng)光纖激光器的研發(fā)力度,由德國弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)研究所啟動(dòng)了一個(gè)“領(lǐng)先的光纖激光器技術(shù)” 的重大項(xiàng)目,投資1700萬歐元研制新型光纖激光器,并使其功率超過千瓦級(jí)。
光纖激光器這樣高速度發(fā)展是由于光纖激光器的雙包層結(jié)構(gòu)和包層泵浦技術(shù)的成功,以及半導(dǎo)體激光工藝的成熟,光纖光柵的刻劃和多元耦合器的實(shí)現(xiàn)有力地推動(dòng)了光纖激光器的發(fā)展,使光纖激光器的技術(shù)快速提升,并很快發(fā)展到千瓦級(jí)功率輸出。
目前,使用最廣泛的是摻雜稀土材料的激光介質(zhì),包括摻雜Yb3+,Nd3+,Er3+,Ho3+,Tm3+等離子材料。最普遍的摻Y(jié)b3+離子光纖激光器,在970~978 nm 半導(dǎo)體激光泵浦下,發(fā)出1.0~1.61μm的激光,英國南安普頓大學(xué)已經(jīng)制備出1800W 高功率激光器。此外,南安普頓大學(xué)還對(duì)摻Er3+光纖激光器進(jìn)行了長時(shí)間研究,制造出了激光波長位于通信窗口的Er3+光纖激光器,其輸出功率達(dá)到150W。美國NP Photonoics公司,亞利桑那大學(xué)也制造出性能優(yōu)良的摻Er3+光纖激光器,并且進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。最近,位于美國馬薩諸塞州牛津市的IPG 公司設(shè)計(jì)出準(zhǔn)連續(xù)高脈沖能量YSL-600/6000-QCM-AC型號(hào)的光纖激光器,平均功率600W,最高峰值功率6000W,最大脈沖持續(xù)時(shí)間10ms,最大占空比10%,其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30%,可進(jìn)行快速加工、焊接、打孔等工藝操作。
SPI公司推出Red Power 400W單模和平頂多模光纖激光器。特別適合切割和焊接薄型和中型金屬工件。長崎造船廠將美國IPG公司生產(chǎn)的l0kW光纖激光器和電弧進(jìn)行復(fù)合焊接,顯著提高了船舶焊接質(zhì)量,降低了成本,提高了經(jīng)濟(jì)效益。
人眼安全波長的高功率光纖激光器的發(fā)展也很快,主要以摻Tm”和摻Ho”離子為主,它們的激光波長范圍在1.5-1.6μm 和2.0μm附近。采用摻Nd3+YAG激光器的1.06μm泵浦摻Tm3+的石英光纖, 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2.038μm激光輸出。美國NP Photonics公司在摻Tm 的鍺酸鹽玻璃中泵浦出1.7-2.017μm的激光,美國的Norhtrop Grumman利用合成組束方法,在摻Tm3+光纖激光器中輸出了608W的2.04μm的激光。人們應(yīng)用Tm3+,Ho3+和Er3+共摻方法,實(shí)現(xiàn)了中紅外波段的激光輸出,其波長范圍為2.0-2.8μm。但是,對(duì)于發(fā)射3.0-3.5μm的中紅外光纖激光器的研究還處于探索中,只有低溫下才能實(shí)現(xiàn)激光輸出。
除了應(yīng)用摻雜稀土材料制造激光介質(zhì)之外,人們已經(jīng)開始運(yùn)用過渡金屬離子研制光纖激光器。俄羅斯科學(xué)院,日本大阪大學(xué)都對(duì)摻Bi2+離子激光器特性進(jìn)行了研究。并制備出1.1-1.5μm的光纖激光器,而且對(duì)于其它過渡族金屬離子的激光器特性也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),例如Ni2+,Cr4+等元素也都受到了研究者的重視。
德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所制造出了平均功率400W的飛秒光纖激光器,創(chuàng)下了光纖飛秒激光輸出功率的新記錄。但是,對(duì)于峰值功率已經(jīng)達(dá)到太瓦和拍瓦的飛秒光纖激光器,還不能達(dá)到完美實(shí)用化的要求,尤其是要增大它的有效模面積、增加介質(zhì)摻雜濃度和耦合效率,進(jìn)一步提高它的性能參數(shù),以加快其實(shí)用化進(jìn)程。
我國的光纖激光器的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也很快。尤其是國家提出要加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定,更加有力地提升了光纖激光器技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。西安光機(jī)所研制出全光纖激光器,輸出功率達(dá)到1000 W,并對(duì)功率合成技術(shù)有了較大的發(fā)展 ;武漢瑞科公司生產(chǎn)了新的15W 和30W脈沖光纖激光器特別適合于高速打標(biāo)、硅片劃線等工藝;南開大學(xué),華南理工大學(xué)都進(jìn)行了摻Er3+光纖的研究,取得長足的進(jìn)展;上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪公司的OLPC1530平面激光切割機(jī),已經(jīng)在航天、汽車、電器兵器工業(yè)、包裝印刷等不同領(lǐng)域應(yīng)用 。大族激光的B3015LS一2000激光切割機(jī),切割速度達(dá)到19m/min,在汽車制造、廚具加工等行業(yè)都有著很大的市場(chǎng)潛力;華工激光,法力萊Walc系列大幅面數(shù)控光纖激光與等離子共軌切割機(jī),對(duì)厚板、中板都能一次上料完成切割 ;南京四開電子企業(yè)有限公司與清華大學(xué)合作,研制出五軸聯(lián)動(dòng)激光加工機(jī)床,光纖激光器的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到30%。武漢楚天激光集團(tuán)股份有限公司制備出的大型光纖激光器切割機(jī)成功用于升空的神舟七號(hào)飛船,還在軍工加工中做出重要貢獻(xiàn)。武漢的華工科技成立了軍用激光技術(shù)研究所,他們利用光纖激光器進(jìn)行激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、激光精密修調(diào)、激光表面處理及其它軍工方面的工藝操作。
總之,國內(nèi)的一些公司已經(jīng)廣泛地使用光纖激光器開展了許多領(lǐng)域的應(yīng)用,而且還在不斷地?cái)U(kuò)展中,光纖激光器的應(yīng)用在國內(nèi)形成了一個(gè)很大的市場(chǎng),具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。但是,我國的光纖激光器發(fā)展很晚,落后于國際的研發(fā)水平,在國內(nèi)所有這些大公司中,幾乎全部使用國外進(jìn)口的光纖激光器。因此,開展具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光材料研究和光纖激光器的制備研究,尤其是開展光子晶體光纖激光器的研究,是十分緊迫的,具有重大的科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益的。
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