所謂高功率
光纖激光器,是相對(duì)于光纖通訊中作為載波的低功率光纖
激光器而言(功率為mW級(jí)),是定位于機(jī)械加工、激光醫(yī)療、汽車制造和軍事等行業(yè)的高強(qiáng)度
光源。高功率光纖激光器巧妙地把光纖技術(shù)與
激光原理有機(jī)地融為一體,鑄造了21世紀(jì)最先進(jìn)和最犀利的激光器。即使是在激光技術(shù)發(fā)達(dá)的國家,光纖激光器也是尖端、神秘和充滿誘惑的代名詞。
1IgTJ" \ ~D/Lo$K" 一、光纖技術(shù)
/QlzWson %/U'Wu{* 光纖激光器的最大特點(diǎn)就是一根光纖穿到底,整臺(tái)機(jī)器高度實(shí)現(xiàn)光纖一體化。而那些只在外部導(dǎo)光部分采用光纖傳輸或者LD泵浦源采用尾纖來耦合的激光器都不是真正意義上的光纖激光器。
-q)|I|y*7 9]chv>dO)= 光纖是以SiO2為基質(zhì)材料拉成的玻璃實(shí)體纖維,主要廣泛應(yīng)用于光纖通訊,其導(dǎo)光原理就是光的全反射機(jī)理。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為9-62.5μm) 、中間低折射率硅玻璃包層 (芯徑一般為125μm) 和最外部的加強(qiáng)樹脂涂層組成。光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖:中心玻璃芯較細(xì)(直徑9μm+0.5μm),只能傳一種模式的光,其模間色散很小,具有自選模和限模的功能。多模光纖:中心玻璃芯較粗 (50μm+1μm),可傳多種模式的光,但其模間色散較大,傳輸?shù)墓獠患儭?
1mh7fZgn \4G9fR4 V/\`: %;_EWs/z8 圖1
用于高功率光纖激光器中的光纖不是普通的通訊光纖,而是摻雜了多種稀有離子、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、耐高輻射的特種光纖---雙包層光纖。
O d6'bO;G wko9tdC=U ^755LW 圖2
ELG{xN=o a~VW?wq 雙包層光纖比普通光纖在纖芯外多了一個(gè)內(nèi)包層,對(duì)泵浦光而言是多模的,直徑和受光角較大,能大肆吸收高亮度的多模泵浦光,在光纖內(nèi)聚集大量的光子。實(shí)踐證明:橫截面為D型和矩形的雙包層光纖具有95%的耦合效率因而得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于脈沖光纖激光器而言,一個(gè)重大的課題就是如何提高光纖的耐輻射能力。目前世界上光纖激光器的單脈沖能力可以達(dá)到20,000W,一根頭發(fā)絲大小的光纖如何能承受如此高的激光輻射?所以必須考慮在光纖內(nèi)摻雜某種特殊離子防止光纖被燒壞。比如摻雜了鈰離子的光纖就是在核輻射情況下,既不會(huì)因染色而失去透光能力,更不會(huì)受熱變形。
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二、傳統(tǒng)固體激光器
$+{o* S=L#8CID 激光器說白了就是一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器---波長(zhǎng)短的泵浦光激勵(lì)摻雜離子轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)波長(zhǎng)的光輻射,它一般由3部分組成:工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦系統(tǒng)。由于光纖激光器本質(zhì)上屬于固體激光器,所以在此僅比較一下傳統(tǒng)Nd:YAG激光器的特性。
blG?("0! HWL? doM 工作物質(zhì):
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4rK 工作物質(zhì)是固體激光器的心臟,它的物理性質(zhì)由基質(zhì)材料決定,光譜性質(zhì)由激活離子內(nèi)的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。在YAG單晶體中摻入三價(jià)的Nd3+,便構(gòu)成了目前廣泛應(yīng)用的YAG激光晶體。它主要有如下明顯的特點(diǎn):
0ikA@SAq I_Gm2Dd J1r\Cp+h0 1、YAG棒生長(zhǎng)速度很慢,一般小于1mm/h。目前最大晶體棒的直徑為40mm,長(zhǎng)180mm,所以激光增益從根本上受到限制,無法實(shí)現(xiàn)特高功率激光輸出。
O#^qd0e'P! _s=<Y^l%x 2、工作物質(zhì)只要是晶體就無法回避激光棒的熱
透鏡效應(yīng)、熱應(yīng)變和熱致雙折射現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)“激光淬滅”和激光棒斷裂;所以,YAG激光器效率很低。
FD8 ncsk(`lo 3、Nd:YAG棒的主要吸收譜線在810nm附近,其帶寬約為2nm,所以要嚴(yán)格控制泵浦源的線寬,否則吸收無效反而造成熱損耗,所以YAG激光器一般要加龐大的冷卻系統(tǒng)。
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