大功率全光纤激光器及其产业化分析

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1、摘 要：本文介绍了大功率全光纤结构光纤激光器的结构、特点和优势，论述了全光纤激光器研制的关键技术，给出了研究结果，讨论了光纤激光器产业化发展的方向，并对我国光纤激光器产业化发展进行了展望。 　　关键词：全光纤激光器，包层泵浦耦合，光纤光栅，长寿命，大功率，产业化　　1 引言　　新世纪开始后，大功率光纤激光器的飞速发展令人振奋，不但谱写了激光技术发展的新篇章，为激光产业的发展注入了新的活力，而且将开辟激光应用的新时代。　　在世界范围内，光纤激光器的技术方案已经表现出全光纤结构的明显趋向，这种光路全部由光纤和光纤元件构成的全光纤

2、激光器，从激光的产生到激光的传输，全部在柔软的光纤中进行，从而表现出了众多显著的优越性。　　北京光电技术研究所研制的30W单模连续全光纤激光器代表了我国目前全光纤激光器的最好水平，该全光纤激光器的研制成功，标志着我国光纤激光器产业化技术的一次重大突破。　　全光纤激光器是光纤激光器实用化和产业化的最佳途径，也是目前唯一进入商业化和产业化的技术方案。发展全光纤激光器涉及双包层光纤、包层泵浦耦合、光纤光栅、大功率多模泵浦半导体激光器和光纤激光器整机5大关键技术，这5大关键技术中有4大关键技术与光纤技术密切相关。　　2 全光纤激光器

3、的结构、特点和优势　　2.1 全光纤激光器的典型光路结构和光纤功率合成技术　　图1A是一种典型的单端泵浦连续单模大功率全光纤激光器的光路示意图。单端泵浦结构简单，但有源区增益呈指数衰减，分布极不均匀，适合功率不是非常高的情况。   图1B为典型的双向泵浦连续单模大功率全光纤激光器的示意图。双向泵浦结构相对复杂，但有源区增益分布均匀性得到改善，可实现更高功率输出。　　目前全光纤激光器单模连续输出功率已经达到2000W。　　图2为采用光纤功率合成技术制作多模光纤激光器的光路示意图，采用这种技术，可将多个单模连续光纤激光器的输出功

4、率合成起来，获得数万瓦或更高的光功率输出并且光束质量良好。　　人们正在发展的相干合成技术，有望采用这种方式实现光纤激光器的相干合成，实现光纤激 光器万瓦量级的单模连续输出。　　2.2 特点和优势　　全光纤激光器具有许多显著特点，这使其在众多方面展现出明显的优势：　　1） 增益介质的表面积/体积比大　　光纤激光器采用光纤做增益介质，具有很大的表面积/体积比，这使其具有非常好的散热性能，因此，即使非常高功率的光纤激光器，增益介质也不会受到热损害，一般无需对增益介质采取特别的散热措施，而其他种类的激光器，增益介质的散热问题是需要重

5、点考虑的，因此，该特点是光纤激光器所独有的。　　2） 优异的双波导限制机制　　高功率全光纤激光器采用双包层有源光纤，这种双包层光纤是一种双波导结构，高功率的多模泵浦光被限制在直径较大的内包层中传输，为采用高功率廉价的多模泵浦光提供了条件，信号激光在直径很小的具有圆对称波导结构的纤芯中产生和传输，在小芯径纤芯波导的限制下，信号激光可获得理想的光束质量和极小的出光光斑直径，这是全光纤激光器独具吸引力的重要特点，在高功率激光器中，目前还没有一种激光器能够超越。优异的光束质量和极小的出光光斑直径在激光应用中具有非常重要的意义，可使后

6、续应用设备的光学系统更简单，体积更小，工作距离更长，激光聚焦光斑更小，工作效率更高，加工深度更深，加工质量更好等等。　　3） 固有的全封闭柔性光路　　全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接，整个光路完全封闭在光纤波导中。这种天然的全封闭性光路一旦形成，无需另加隔离措施即可自成体系，实现与外界环境的隔离。由于光纤细小并具有很好的柔性，光路可盘绕和沿细小的管道穿行，因此，全光纤激光器能够在比较恶劣的环境下工作，输出光可穿过狭小的缝隙或沿细小的管道进行远距离传输。这些特点在工业应用中优势

7、巨大，激光器不但能适应比较恶劣的工作环境，而且可使激光器远离出光点，可将激光引入到以前很难到达的地方，可非常容易移动和改变出光点，实现多加工点共用一台激光器，可使激光加工设备的设计具有更高的灵活性等等。　　4） 光路具有免维护特性　　如前所述，全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接，因此，光路一旦完成，即形成一个整体，实践证明，这样形成的连接结构和连接参数将长期保持稳定，如果光纤和光纤元件本身能有长期稳定性，整个光路将长期稳定，无需维护。需要特别指出的是，这种免维护的特性并非不可维

8、护和维修，在需要的情况下，整个光路的维护和维修同样可以进行，因此，与气体和固体等激光器需要频繁的维护和维修相比，全光纤激光器光路的免维护特性异常优异，而与半导体激光器的不可维修性相比，全光纤激光器的可维护性和可维修性又表现出明显的优势。　　5） 单条宽发光区长寿命多模泵浦激光器　　全光纤激