By IPG Photonics 总裁
VALENTIN GAPONTSEV
摘要：
光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最前沿的研究课题，尤其是高功率光纤激光 器，国家自然科学基金委和“863”均把它列入了2002年的重大攻关项目。本文简要介绍了目前国际上刚出现的一种新颖高功率激光器，详细描叙了该激光器的基本原理和其关键技术并介绍刚刚推出的几种独特的高功率光纤激光器系列特征。特别是2002年5月20日公告，目前世界上最高功率的光纤激光器2, 000W单模、连续输出1.06um波长的高功率光纤激光器已经在德国交付使用。
随着激光二极管泵浦技术以及光纤材料和工艺研究的进展，适合多种不同应用目的的光纤激光器也缤呈异彩地涌现于世。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。
高功率激光器的出现是激光发展史上具有旗帜性和革命性的里程碑，它以无比卓越的性能和超值的价格，在激光加工、激光医疗、激光雷达、激光测距等多方面得了日益广泛的应用。它的诞生及应用将对传统的CO2和YAG固体激光器提出严峻的挑战，将掀起中国激光产业的一场前所未有的改革浪潮………
光纤激光器的历史几乎和激光器一样长。从1963年发明光纤激光器到二十世纪八十年代末第一批商用光纤激光器出现在市场上，经历了二十年的发展历程。这些激光器使用单模二极管泵浦，发射出几十毫瓦的激光，它们的高增益以及针对多种稀有离子跃迁发射单模连续波激光的能力得到了使用者的青睐。因为这是最常用的晶体激光器所无法做到的。光纤激光器技术最为大家所熟知的应用是光通讯网络的1550nm掺铒光纤放大器。
然而，对于大多数的激光应用领域，相比于毫瓦级，我们更需要瓦级的光功率输出。瓦级光纤激光功率输出的技术飞跃在1990年得到了实现，当年一台4瓦的掺铒光纤激光器被报道。这一发展为用于微机械的十瓦级甚至更高功率单模光纤激光器以及其他应用——第一台真正的高功率光纤激光器的技术奠定了基础。
双包层泵浦技术：
现代高功率光纤激光器的泵浦源是高功率的多模二极管，通过一个围绕着单模纤心的双包层来实现。在二十世纪七十年代，以一个单模光纤激光器来替代固体激光器或宽带半导体激光二极管的多模发射输出的想法被首次提出。在简单的双包层光纤结构中，一个轴向的单模玻璃纤心被掺入人们所期望的激光离子，如铷、饵、镒、铥等。核心光纤被一层直径几倍于它的不掺杂的玻璃包层所包围，具有更低的折射率。接下来是内部的泵浦包层，被更外一层不掺杂的玻璃包层所覆盖，同样具有更低折射率。在这种光纤结构中，多模二极管泵浦光通过一个复合光纤的终端面射入泵浦包层，通过光纤结构传播，周期性地穿越掺杂质的单模光纤核心，并在核心光纤
中产生粒子数反转。
IPG激光部门（现在为IPG Photonics的分支机构）研制出一种更先进的全加固侧面并行泵浦光纤激光器。它包括一个主动光纤，这种光纤具有可以和其他光学元件或增益级自由熔结的多面体结构，从而使泵浦光可从多点注入包层成为可能。这样，一种简单的光纤输出功率的按比例缩放控制成为可行。其他的侧泵浦技术还有V槽耦合。1996年，具有工业质量的衍射极限10瓦级包层泵浦光纤激光器由IPG Photonics推向市场。Polaroid公司（剑桥，MA）、Spectra Diode实验室（现在的JDS Uniphase）以及Spectra Physics不久也介绍了类似的激光器。
图1 按照工作区的功率以及光束质量或光束参数产品的不同，材料加工应用被划分出不同的区域。在1060nm到1080nm范围内，这张图表假定激光光束聚焦于f/4处。图中的点显示了激光器的出处，上方是所有的应用领域，左轴是相应BPP以及功率值。
一个原料加工应用的两维图显示了根据功率和波束质量或波束参量产品来划分的不同的应用领域（见图一）。首台包层泵浦光纤激光器很适合从事像钻孔、非金属的低端切割以及低端焊接之类的工作。因为这种激光器所固有的特性，这些光纤源很容易地被消费者接受了。这些先天的优势包括：20%的效率的提高，衍射限制的波束质量，体型小，风冷性，单片电路设计，超过10，000小时的使用寿命，以及工业控制下的免费运维费用。
因为上述特性，提升光纤激光器输出功率到更大值的需求逐渐显现，也就是向诸如钻孔、非金属切割、焊接以及现在由千瓦级泵浦固态激光器、二极管泵浦固态激光器以及二氧化碳激光器所承担的高功率应用领域渗透的需求在逐渐增大。这些应用包括铜焊、金属切割、淬水、包层以及深度焊接。
多芯光纤耦合：
首台100瓦级衍射限制的光纤激光器由IPG于2000年推出，应用其多芯光纤侧耦合技术（见表2）。这种激光器具有高功率输出，可用于焊接、烧结以及低功率的铜焊。而相比之下，传统的二极管泵浦固态激光器通过二极管陈列条来泵浦（典型功率40瓦，每个陈列条由几十个二极管组成），运行寿命大约5000到10，000小时。正常寿命且价格昂贵的DPLLS 40W二极管陈列条大约只能保证整台DPSSL激光器寿命是8000小时。
图2 一个100瓦的掺镱发射激光器产生出一个单模的1.08 æm波长的输出光（上部分）。多重的5瓦宽带激光二极管泵浦有大约45%的光到光的转换率以及高达18%的光电转换率。多重泵浦二极管的使用提供了高冗余度，低降格，超过30，000小时的运行寿命。光纤激光器的输出光束可以通过一个直径小于7 æm的纤芯传送100米以上的距离到工件上。规则的光束参数M2与1很接近（下部分）。
用于侧面泵浦的光纤激光器的多泵浦模块可以被封装，以避免局部区域热量的产生（在高功率二极管泵浦固态激光器中有此现象）以及避免使用简单的对流风冷装置（相当于二极管泵浦固态激光器中的水冷器）。同样的，在一个高功率光纤激光器中，激光增益介质（即光纤）中产生的多余的热量通过一个大的表面区域所扩散，从而避免了像传统二极管泵浦固态激光器那样对激光介质降温的工作需要。因为光纤只能支持基本的空间模式，光纤激光器的光束质量不会受激光功率运作的影响，而高功率二极管泵浦固态激光器却不是这种情况。
激光耦合输出：
耦合多个100瓦级光纤激光器的输出功率可以很好地提升光纤激光器的输出功率到一个更高的级别。比如说，7个100瓦级光纤激光器输出的光束通过7个单模光纤传送30米以上的距离，然后在一条多芯光纤波束耦合器中被合成，输出一个直径80 μm,发散角小于40 mrad的波束。这相当于一个输出光束参数<1.6 mm mrad 的激光；700瓦的耦合输出功率可以以一束强烈的激光作用在工件上，每平方厘米可达高于50千瓦的功率。比较而言，一个二极管泵浦固态激光器典型的光束参数>10mm mrad,输出功率密度也只有光纤激光器的50分之一。700瓦级的光纤激光器大小为55 × 60 × 95 cm3 ，重量为120千克。
IPG最近发布了应用于重金属焊接工业自动化领域的A2-kW工业光纤激光器。这种激光器使用和700瓦激光器相近的多模块设计，通过一根直径200μm的光纤提供超过100米的功率传输。这台激光器的输出光束参数为15 mm mrad，两到四倍于通过光纤传输的提供同样输出功率的灯浦Nd-YAG激光器。预计2002年底4,IPG 将推出20千瓦级的工业光纤激光器。这些激光器耦合的参数性能将使他们能够渗透到重金属切割、铜焊、覆融以及焊接等应用的核心领域。
摘自 光纤新闻网
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