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    30年 激光設備制造經驗

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    光纖激光器的原理結構

    關注:44 發表時間:2020-03-24 17:47:40

    在光纖纖芯中摻入稀土離子,泵浦光通過光纖時,纖芯中的稀土離子吸收泵浦光,躍遷到激光上能級,產生粒子數反轉。反轉后的粒子在自發輻射光子或者特別注入的光子誘導下以受激輻射躍遷到激光下能級,同時發射出與誘導光子相同的光子,這樣的過程雪崩般發生,于是發射出激光。這就是光纖激光器的基本原理。選擇在光纖中摻稀土離子構成光纖激光器,部分原因就是稀土離子的吸收范圍正好與半導體激光器的輻射范圍重合,因而能方便地采用成本低廉的、工藝較為成熟的半導體激光器作為泵浦光源。

        光纖激光器的基本結構由增益介質、諧振腔與泵浦源組成。增益介質為摻有稀土離子的光纖芯,摻雜光纖放置在兩個反射率經過選擇的腔鏡之間,泵浦光從光纖激光切割機激光器的左邊腔鏡耦合進入光纖,經準直光學系統和濾波器得到輸出激光。從理論上來說,只有泵浦源和增益光纖是構成光纖激光器的必須組件,而諧振腔并非必不可缺的組件。諧振腔的選模和增加增益介質長度的作用在激光切割機光纖激光器中是可以不用的,因長光纖本身可以非常長 ,從而獲得很高的單程增益,而光纖的波導效應又可以起到選模的作用。但實際應用中人們一般希望使用較短光纖,所以多數情況下采用諧振腔,以引入反饋。

       光纖激光器的優點

       與傳統的氣體激光器和固體激光器相比,以摻雜光纖為工作介質的光纖激光器具有以下優點:

       ①增益介質的表面積/體積比大

        光纖激光器采用光纖做增益介質,具有很大的表面積/體積比,這使其具有非常好的散熱性能,因此,即使非常高功率的光纖激光器,增益介質也不會受到熱損害,一般無需對增益介質采取特別的散熱措施,而其他種類的激光器,增益介質的散熱問題是需要重點考慮的,因此,該特點是光纖激光器多獨有的。

       ②優異的雙波導限制機制

        高功率全光纖激光器采用雙包層有源光纖,這種雙層光纖是一種雙波導結構,高功率的多模泵浦光被限制在直徑較大的內包層中傳輸,為采用高功率廉價的多模泵浦光提供了條件,信號激光在直徑很小的具有圓對稱波導結構的纖芯中產生和傳輸,在小芯徑纖芯波導的限制下,信號激光可獲得理想的光束質量和極小的出光光斑直徑,這是全光纖激光器獨具吸引力的重要特點,在高功率激光器中,目前還沒有一種激光器能夠超越。優異的光束質量和極小的出光光斑直徑在激光應用中具有非常重要的意義,可使后續應用設備的光學系統更簡單,體積更小,工作距離更長,激光聚焦光斑更小,工作效率更高,加工深度更深,加工質量更好等等。

       ③固有的全封閉柔性光路

        全光纖激光器的光路全部由光纖和光纖元件構成,光纖和光纖元件之間采用光纖熔接技術連接,整個光路完全封閉在光纖波導中。這種天然的全封閉性光路一旦形成,無需另加隔離措施即可自成體系,實現與外界環境的隔離。由于光纖細小并具有很好的柔性,光路可盤繞和沿細小的管道穿行,因此,全光纖激光器能夠在比較惡劣的環境下工作,輸出光可穿過狹小的縫隙或沿細小的管道進行遠距離傳輸。這些特點在工業應用中優勢巨大,激光不但能適應比較惡劣的工作環境,而且可以使激光器原理出光點,可將激光引入到以前很難到達的地方,可非常容易移動和改變出光點,實現加工點公用一臺激光器,可使激光加工設備的設計具有更高的靈活性等等。

       ④光路具有免維護性

        如前所述,全光纖激光器的關谷全部由光纖和光纖元件構成,光纖和光纖元件之間采用光纖熔接技術連接,因此,光路一旦完成,即形成一個整體,實踐證明,這樣形成的鏈接結構和連接參數將長期保持穩定,如果光纖和光纖元件本身能有長期穩定性,整個光路將長期穩定,無需維護。需要特別指出的是,這種免維護的特性并非不可維護和維修,在需要的情況下,整個光路的維護和維修同樣可以進行,因此,與氣體和固體激光器需要頻繁的維護維修相比,全光纖激光器光路的免維護特性異常優異,而與半導體激光器的不可維修性相比,全光纖激光器的可維護性和可維修性表現出明顯的優勢。

       ⑤壽命長

        全光纖激光器的光路具有長期穩定性,因此,需要與之匹配的長壽命泵浦激光器才能獲得整機的長壽命。發展低價格的長壽命多模泵浦激光器使發展長壽命光纖激光器的重點。單條寬發光區多模泵浦激光器就是這樣一種長壽命半導體泵浦激光器,其條寬一般取100mm,基本上已經接近105/125多模光纖的纖芯直徑,其有源區條寬是列陣半導體激光器的幾十倍,對單一發光條來說,同樣輸出功率和同樣注入電流情況下,其光功率密度和電流密度將降低幾十倍,有源區溫度也會有所降低,在忽略其他因素的前提下,單條寬發光區半導體泵浦激光器降低失效率的作用是異常顯著的。目前尾纖輸出功率大于5W的單條寬發光區半導體泵浦激光器的平均無故障工作時間已經達到50萬小時以上。采用單條寬發光區半導體泵浦激光器作為光線激光器的泵浦源,全光纖激光器將具備長壽命的特點,因此,制作具有幾十萬小時得長壽命光纖激光器在技術上已經可行。

       ⑥體積小重量輕

        全光纖激光器由于光路可盤繞,光路占用空間較小,在采用單條寬發光區半導體泵浦激光器做泵浦源的情況下,泵浦激光器可分散安裝,具有很好的散熱特性,在安裝密度不高的情況下,采用冷即可,在安裝密度較高的情況下,只需少量通水即可滿足散熱要求,因此,全光纖激光器的體積比同樣輸出功率的氣體和固體激光器系統更小,重量更輕。


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