光纖激光器英文名稱為Fiber Laser,指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器,其中摻鐿光纖是高功率摻鐿光纖激光系統(tǒng)最核心的器件之一,然而隨著光纖激光器輸出功率的提升,各種穩(wěn)定性“殺手”比如橫向模式不穩(wěn)定(Transverse Mode Instability, TMI)、受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)現(xiàn)象以及熱損傷等浮出水面。
不久前,凱普林光纖激光器產(chǎn)品總監(jiān)趙巨云線上分享《高功率光纖激光器前沿技術與創(chuàng)新應用》,詳細描述了如何狙擊光纖激光器穩(wěn)定性“殺手”。本期,我們一起回顧。
光纖激光器主要由泵浦源、增益介質(有源光纖)、諧振腔三大部分構成。
諧振腔結構光纖激光器原理:通過前向和后向的合束器,將泵浦半導體激光器LD的功率經(jīng)過光纖光柵(高發(fā)光柵HR、低反光柵OC)注入到摻鐿雙包層光纖(YDF)中。YDF中稀土離子吸收泵光后,形成粒子數(shù)反轉分布,產(chǎn)生自發(fā)輻射光,然后在光纖光柵對(HR-OC)的作用下形成受激輻射光放大產(chǎn)生激光,并經(jīng)過OC和輸出光纜QBH輸出出來。
放大器結構光纖激光器原理:與諧振腔相似,所不同的是通過前級的種子源激光器來減少了系統(tǒng)對單元器件承受功率的要求。進而可以得到更高的功率。
諧振腔結構光纖激光器
放大器結構光纖激光器
光纖摻雜特性影響(摻雜濃度和摻雜區(qū)域半徑) 暗化的影響信號特性的影響(信號光功率、信號強度噪音、信號初始高階模比例、信號光波長、信號強度調制) 泵浦特性影響(泵浦功率、泵浦波長、泵浦強度調制) 泵浦方式的影響(前向泵浦、后向泵浦、側向泵浦和雙向泵浦) 光纖材料的影響
光纖芯徑/包層直徑、光纖纖芯數(shù)值孔徑
高階模損耗
系統(tǒng)制冷能力
光纖保偏特性
信號光線寬
增強增益飽和(減小纖芯包層比、改變半導體泵浦源的波長、改變泵浦光注入方向、增加注入信號功率 、同帶泵浦、改變信號波長)
減少光纖熱源
增強光纖熱光性能
提高彎曲損耗(減少彎曲半徑、減小纖芯數(shù)值孔徑、優(yōu)化光纖盤繞方法、減少纖芯直徑、增加信號光波長)
優(yōu)化光纖設計
增加信號光譜寬
從整機來說,光纖激光器內(nèi)部由光、機、電三部分組構成。光的構成部分就是我在報告上提到三大塊:泵浦源、諧振腔、增益介質,泵浦源就是半導體激光器,諧振腔就是通過光柵合束器構成的,增益介質就是有源光纖。 激光器內(nèi)部諧振腔熔點溫度高的原因其實很多,這是一個很復雜的工藝問題。可能是由光纖的匹配、熔接質量、泵浦吸收轉化這些因素造成的。對于這種光纖匹配來說呢,一般我們會選擇相同類型的光纖激光器,盡量芯徑相同,最起碼包層直徑更接近一些,這樣會減少熔接匹配損耗。還有熔接質量,就是我們?nèi)劢訖C的各種熔接參數(shù)設置可以有很多優(yōu)化區(qū)域,通過大小調整等方法優(yōu)化參數(shù)。還有一個是泵浦轉化率,我們在選擇泵浦源、有源光纖的時候要做更多優(yōu)化。另外,整個散熱設計更優(yōu)的話,可以達到更好的效果。 切割是一個工藝過程,相對比較復雜,光纖激光器本身的輸出特性也很多,就像功率、光譜等這些因素每臺激光器是不一樣的,而這些因素都會對切割產(chǎn)生一定的影響。同時,切割的時候還涉及到切割頭、噴嘴、板材等等,這個綜合性的變量很多,所以很難說兩臺激光器切割效果一模一樣。但現(xiàn)在我們都在努力提升激光器的整體容差,切割工藝的容差提高了,面對各種變量也可以達到相對一致的切割效果,完全一致目前還是很難辦到的。
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