光纖激光器的應(yīng)用與發(fā)展前景
來源：科信激光 發(fā)布時(shí)間：2020-06-02
1962年界上第一個(gè)半導(dǎo)體激光器問世以來，激光器已經(jīng)有四十余年歷史的發(fā)展。早期對(duì)激光器的研究主要集中在短脈沖輸出和擴(kuò)展可調(diào)諧波長范圍方面。為了適應(yīng)光纖通信蓬勃發(fā)展的需要1987年英國南安普頓大學(xué)及美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首先證明了摻鉺光纖放大器的可行性。如今其已在光纖通信中占有了重要地位。當(dāng)今，隨著光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，超快速光電子學(xué)，非線性光學(xué)，光傳感等各種領(lǐng)域的應(yīng)用研究，得到前所未有的蓬勃發(fā)展。由于光纖激光器具有在光束質(zhì)量上和轉(zhuǎn)換效率上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)以及其完全無需維護(hù)且體積小、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，已成為第三代激光技術(shù)的代表。
光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/ 焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等等。光纖激光器的種類
光纖激光器的種類有很多，按摻雜種類劃分有摻鉺(Er)、摻釹(Nd)、摻鐠(Pr)、摻鈥(Ho)、摻鐿(Yb)、摻銩(Tm)等。其基本原理是在光纖的纖芯中摻入能產(chǎn)生激光的稀有元素，通過直流光激勵(lì)，使光信號(hào)得到放大。
摻鉺光纖激光器簡稱EDFL(Erbium Doped FiberLaser)，是在摻鉺光纖放大器(EDFA) 的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。EDFL利用光纖成柵技術(shù)把摻鉺光纖相隔一定長度的兩處寫入光柵，兩光柵之間相當(dāng)于一個(gè)諧振腔，用泵浦激光激發(fā)，鉺離子產(chǎn)生增益放大。在光柵的選頻作用下，諧振腔反饋某一特定波長的光，從而輸出單頻激光，再經(jīng)過光隔離器即能輸出線寬窄，功率高和噪聲低的激光。EDFL的增益介質(zhì)是EDF,利用摻鉺光纖具有的非線性效應(yīng)，輸入泵浦光，使鉺原子的電子能級(jí)升高。當(dāng)發(fā)生高能級(jí)向低能級(jí)的躍遷時(shí)，向外輻射出光子。當(dāng)輸入光信號(hào)時(shí)，輻射光的相位和波長會(huì)自發(fā)與信號(hào)光傳輸一致這樣在輸出端就可以得到功率較強(qiáng)的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大。信號(hào)光在摻鉺光纖的輸出過程中被不斷放大。用摻鉺光纖作成的光纖激光器,是光纖通信中不可缺少的部分。摻鐿(Yb)雙包層光纖激光器是國際上新近發(fā)展的一種新型高功率激光器件，由于其具有光束質(zhì)量好、效率高、易于散熱和易于實(shí)現(xiàn)高功率等特點(diǎn)，已成為高精度激光加工、激光雷達(dá)系統(tǒng)、光通信及目標(biāo)指示等領(lǐng)域中相干光源的重要候選者。雙包層摻鐿激光器的主要激光增益介質(zhì)是雙包層摻鐿光纖，因此雙包層摻鐿光纖的性能直接決定了該類激光器的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。 光纖激光器的應(yīng)用 光纖激光器十分適合在連續(xù)波或準(zhǔn)連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)下放大到更高功率，來滿足微電子方面的應(yīng)用需求。在這些應(yīng)用中，光束質(zhì)量、精度以及穩(wěn)定性至關(guān)重要。在許多應(yīng)用中，控制、改變激光加工能量和功率輸入，對(duì)加工過程起著決定性作用。
在焊接方面的應(yīng)用：利用光纖激光優(yōu)秀的光束質(zhì)量，獲得較長的工作焦距，這就可以通過普通二維振鏡系統(tǒng)獲得很大的工作范圍，這不但簡化了設(shè)計(jì)，同時(shí)降低了成本。激光焊接降低了對(duì)材料內(nèi)部組件的應(yīng)力影響，從而整體大大地提高了產(chǎn)品的合格率。
在激光打標(biāo)方面的應(yīng)用：由于脈沖寬度極短,因此采用低脈沖能量容易抵達(dá)極高峰值激光強(qiáng)度。由于強(qiáng)度極高以及激光與物質(zhì)的交互作用時(shí)間極短，熱擴(kuò)散受限制于極小的區(qū)域，聚集的激光器能量密度構(gòu)成材料快速汽化。因此，脈沖光纖激光器可以在激光打標(biāo)應(yīng)用中的選擇材料表面消融優(yōu)質(zhì)、精密的圖案。由于沿著掃描途徑的兩個(gè)激光打標(biāo)點(diǎn)之間的距離與掃描儀速度成正比，與脈沖重復(fù)率成反比，因此，當(dāng)激光掃描儀由數(shù)字狀態(tài)空間伺服機(jī)構(gòu)控制時(shí)，高重復(fù)率脈沖光纖激光器是設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)、高速激光打標(biāo)系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。
在工業(yè)鉆孔中的應(yīng)用：激光器通過脈沖波形控制實(shí)現(xiàn)了很大的靈活性，能在鉆孔應(yīng)用中大顯身手。更大的振幅意味著更大的峰值功率。波形WFO提供的更高的峰值功率和脈沖能量，能產(chǎn)生更大直徑的孔。改變頻率，峰值功率和脈沖能量隨之改變,孔徑也隨之變化。因此微米級(jí)的不同孔徑，能通過激光器的頻率和脈沖特征加以改變。
在巖石及泥土材料處理中的應(yīng)用：光纖激光在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用方面明顯優(yōu)于任何其它種類的激光，包括在開礦、隧道開鑿、切割和巖石及混凝土鉆孔等方面。光纖激光能夠通過很長的光纖將足夠的能量傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的目標(biāo)。光纖激光超高的電光轉(zhuǎn)換效率（30%），良好的光束質(zhì)量，車載機(jī)動(dòng)性及設(shè)備的穩(wěn)定性和免維護(hù)性等特點(diǎn)使得它在此類應(yīng)用領(lǐng)域里成為最佳的選擇。
今天，密集波分復(fù)用和光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進(jìn)步加速和刺激著多波長光纖激光器技術(shù)、超連續(xù)光纖激光器等的進(jìn)步。同時(shí)，多波長光纖激光器和超連續(xù)光纖激光器的出現(xiàn)，則為低成本地實(shí)現(xiàn)Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑來看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術(shù)、超發(fā)光二極管等技術(shù)均見報(bào)道。
隨著光通信及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖激光器技術(shù)正在不斷向廣度和深度方面推進(jìn)；技術(shù)的進(jìn)步，特別是以光纖光柵、濾波器、光纖技術(shù)等為基礎(chǔ)的新型光纖器件等的陸續(xù)面市，將為光纖激光器的設(shè)計(jì)提供新的對(duì)策和思路。可以預(yù)見，光纖激光器必將在未來光通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有其他激光器無可比擬的技術(shù)優(yōu)越性。在短期內(nèi)，光纖激光器將主要聚焦在高端用途上隨光纖激光器的普及，成本的降低以及產(chǎn)能的提高，最終將可能會(huì)替代掉全球大部分高功率二氧化碳激光器和絕大部分YAG激光器。
