大功率全光纤激光器及其产业化分析

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1、大功率全光纤激光器及其产业化分析～教育资源库　　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

2、部由光纤和光纤元件构成的全光纤激光器，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30次方成正比，m的取值范围在2~3之间；与有源区电流密度的n次方成正比，n的取值范围在3~6之间；与有源区的温度呈指数依赖关系，其数学表达式如下：　　其中F为失效率，I为有源区的光功率密度，J为有源区的电流密度，EA为激活能，取值在0.4~0.7之间，KB为波尔兹曼常数，T为有源区温度。　　可见，降低有源区光功率密度、电流密度和有源区工作温度对降低失效率有显著123下一页友情提醒：，特别！意

3、义。单条宽发光区多模泵浦激光器就是根据这一原理而设计的一种长寿命半导体泵浦激光器，其条宽一般取100mm，基本上已接近105/125多模光纤的纤芯直径，其有源区条宽是列阵半导体激光器的几十倍，对单一发光条来说，同样输出功率和同样注入电流情况下，其光功率密度和电流密度将降低几十倍，有源区温度也会有所降低，在忽略其他因素的前提下，单条宽发光区半导体泵浦激光器降低失效率的作用是异常显著的。目前尾纤输出功率大于5W的单条宽发光区半导体泵浦激光器的平均无故障工作时间已经达到50万小时以上。　　6）寿命长　　从前面的讨论我们已经知道，采用单条宽发光

4、区半导体泵浦激光器作为光纤激光器的泵浦源，全光纤激光器将具备长寿命的特点，因此，制作具有几十万小时的长寿命光纤激光器在技术上已经可行。　　7）体积小重量轻　　全光纤激光器由于光路可盘绕，光路占用空间较小，在采用单条宽发光区半导体泵浦激光器做泵浦源的情况下，泵浦激光器可分散安装，具有很好的散热特性，在安装密度不高的情况下，采用风冷即可，在安装密度较高的情况下，只需少量通水即可满足散热要求，因此，全光纤激光器的体积比同样输出功率的气体和固体激光器系统更小，重量更轻。　　8）输出功率大　　光纤激光器输出功率在突破100W以后，输出功率水平飞速

5、增长，只用了三年多时间，达到的输出功率水平已经超过了YAG固体激光器和CO2气体激光器用三十多年达到的输出功率水平，目前光纤激光器的实验室水平已经超过10万瓦，3万瓦的光纤已经商品化，已经销售的光纤激光器，输出功率为17000W。可以预见，光纤激光器将成为长时间连续输出功率最大的激光器。　　9）节水节电节成本　　光纤激光器具有优异的热性能，电光效率较高，节水节电，尤其重要的是可长期免维护使用，可节约大量维护经费和时间，提高工作效率。　　10）造价不断降低　　全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，由于原料易得，在技术、产品和市场成熟

6、之后，可大幅度降低成本。除光路部分外，半导体泵浦激光器是构成光纤激光器成本的主要部分，从光通信的发展历史和经验来看，随着技术的发展和市场容量的不断扩大，大幅度降低半导体泵浦激光器的成本将成为必然趋势。　　35大关键技术和发展趋势　　3.1特种光纤技术　　全光纤激光器需要使用双包层有源光纤、双包层光敏光纤、能量传输光纤等多种特种光纤，随着输出功率的不断提高，对特种光纤的技术要求也越来越高，因此，特种光纤的发展将在光纤激光器的发展中扮演重要角色。以光子晶体光纤为代表的新一代特种光纤会在光纤激光器的发展中逐步得到应用。特种光纤的发展，将使有源

7、光纤的增益更高、承受的功率密度更大、对泵浦光的吸收更有效；将使光栅的制作更容易、光栅的稳定性更好、使光栅在光纤激光器中的用途更广泛；将使能量传输光纤能够传输更高的功率，能够将高功率激光传送更远的距离，能够传输的波长范围不断拓展；将使泵浦耦合更加容易实现，能承受的泵浦功率更高，损耗更小等等。　　3.2包层泵浦耦合技术　　全光纤激光器的包层泵浦耦合技术对决定光纤激光器性能和水平具有不可估量的作用。用于大功率全光纤激光器的光纤泵浦耦合器件和光纤功率合成器件，均在很高的功率下条件下使用，其耦合效率必须很高，损耗必须很小，承受的功率必须很大，并且

8、，输入光的路数还需要尽可能的多。在如此众多的极限条件要求下，制作优质的泵浦耦合器件和功率合成器件具有很高的难度，不过，实现的方式方法也多种多样，这是一项富有挑战性的技术。从大功率全光纤激光器的发展趋势来看，