[激光原理与应用-31]：典型激光器 -3- 光纤激光器

Posted 2022-12-15 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 光纤激光器概述

1.1 什么是光纤激光器

1.2 应用

1.3 光纤激光器的结构组成

1.4 特点

1.5 优势

第2章 光纤激光器的类型

2.1 按照光纤材料的种类进行分类

2.2 按增益介质分类为：

2.3 按谐振腔结构分类

2.4 按光纤结构分类

2.5 按输出激光特性分类

第3章 应用

3.1 标刻应用

3.2 材料处理的应用

3.3 材料弯曲的应用

3.4 激光切割的应用

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第1章 光纤激光器概述

1.1 什么是光纤激光器

光纤激光器（Fiber Laser）是指用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（在光纤内构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。

1.2 应用

光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。

1.3 光纤激光器的结构组成

激光信号的产生需具备粒子数反转、存在光反馈和达到激光阈值三个基本条件，因此激光器是由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。

光纤激光器的基本结构如：

• 增益光纤为产生光子的增益介质或称为工作介质；
• 泵浦源：作用是作为外部能量使增益介质达到粒子数反转
• 光学谐振腔由两个反射镜组成，作用是使光子得到反馈并在工作介质中得到放大。光纤的光传导，使得谐振腔不再受到空间的限制。

泵浦源的光进入增益光纤后被吸收，进而使增益介质中能级粒子数发生反转，当谐振腔内的增益高于损耗时在两个反射镜之间便会形成激光振荡，产生激光信号输出。

1.4 特点

(1) 光束质量好。

光纤的波导（光纤能够方便的传送光信号）结构决定了光纤激光器易于获得单横模输出，且受外界因素影响很小，能够实现高亮度的激光输出。

(2) 高效率。

光纤激光器通过选择发射波长和掺杂稀土元素吸收特性相匹配的半导体激光器为泵浦源，可以实现很高的光一光转化效率。

对于掺镱的高功率光纤激光器，一般选择915纳米或975纳米的半导体激光器，荧光寿命较长，能够有效储存能量以实现高功率运作。

商业化光纤激光器的总体电光效率高达25%，有利于降低成本，节能环保。

(3) 散热特性好。

光纤激光器是采用细长的掺杂稀土元素光纤作为激光增益介质的，其表面积和体积比非常大。约为固体块状激光器的1000倍，在散热能力方面具有天然优势。中低功率情况下无需对光纤进行特殊冷却，高功率情况下采用水冷散热，也可以有效避免固体激光器中常见的由于热效应引起的光束质量下降及效率下降。

(4)结构紧凑，可靠性高。

由于光纤激光器采用细小而柔软的光纤作为激光增益介质，有利于压缩体积、节约成本。

泵浦源也是采用体积小、易于模块化的半导体激光器，商业化产品一般可带尾纤输出，结合光纤布拉格光栅等光纤化的器件，只要将这些器件相互熔接即可实现全光纤化，对环境扰动免疫能力高，具有很高的稳定性，可节省维护时间和费用。

1.5 优势

光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势：

（1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可绕性所带来的小型化、集约化优势；

（2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；

（3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低；

（4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多；

（5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。

（6）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。

（7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。

（8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。

（9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。

（10）高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。

（11）高功率,商用化的光纤激光器是六千瓦。

第2章 光纤激光器的类型

2.1 按照光纤材料的种类进行分类

1、晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等。

2、非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。

3、稀土类掺杂光纤激光器。光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。

4、塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。

2.2 按增益介质分类为：

1、晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器等。

2、非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。

3、稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶)而制成光纤激光器。

4、塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。

2.3 按谐振腔结构分类

分为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。

2.4 按光纤结构分类

分为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。

2.5 按输出激光特性分类

分为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器(脉冲宽度为ns量级)和锁模光纤激光器(脉冲宽度为ps或fs量级)。

第3章 应用

3.1 标刻应用

脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的免维护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无须水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运行费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。

一套光纤激光打标系统可以由一个或两个功率为25W的光纤激光器，一个或两个用来导光到工件上的扫描头以及一台控制扫描头的工业电脑组成。这种设计比用一个50W激光器分束到两个扫描头上的方式高出达4倍以上的效率。该系统最大打标范围是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全标刻范围内绝对定位精度是+/-100um。100um工作距离时的聚焦光斑可小到15um。

3.2 材料处理的应用

光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的部位被加热的热处理过程。

1um左右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸收。

3.3 材料弯曲的应用

光纤激光成型或折曲是一种用于改变金属板或硬陶瓷曲率的技术。

集中加热和快速自冷切导致在激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率。

研究发现用激光处理的微弯曲远比其他方式具有更高的精密度，同时，这在微电子制造是一个很理想的方法。

3.4 激光切割的应用

随着光纤激光器的功率不断攀升，光纤激光器在工业切割方面得以被规模化应用。比如：用快速斩波的连续光纤激光器微切割不锈钢动脉管。由于它的高光束质量，光纤激光器可以获得非常小的聚焦直径和由此带来的小切缝宽度正在刷新医疗器件工业的标准。