上海蟻霖科學儀器有限公司
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閱讀：384發(fā)布時間：2021-11-8
０ 引 言
光纖激光器被認為是第三代激光器，其與傳統(tǒng) 的紅寶石激光器及 ＹＡＧ（釔鋁石榴石）激光器相比 具有良好的光束質量、單色性與穩(wěn)定性，并且還具有 電光轉化效率高、維護成本低、結構簡單、體積小、重 量輕及占地面積小等優(yōu)點。近年來千瓦級、萬瓦級 高功率光纖激光器的興起，極大地拓寬了光纖激光 器應用領域。在工業(yè)加工方面，數(shù)百瓦高功率光纖 激光器廣泛用于五金、眼鏡、衛(wèi)浴及廣告字焊接，數(shù) 千瓦高功率光纖激光器在金屬切割、熔覆等方面優(yōu)
１ 高功率光纖激光器的發(fā)展歷程
１９６０年，世界上出現(xiàn)了第１臺真正意義上的激 光器，系紅寶石激光器。次年，Ｅ．Ｓｎｉｔｚｅｒ研制 出 第１臺摻釹（Ｎｄ３＋ ）光纖激光器。一年后，Ｈ．Ｗ． Ｅｔｚｅｌ等人成功研制出第１臺摻鐿離子（Ｙｂ３＋ ）的光 纖激 光 器，即 目 前 見 的 １μｍ 波 長 （１．０６４ μｍ／１．０８０μｍ）光纖激光器。但由于光纖的損耗較 高，導致能量無法長距離傳輸，因此在此后的很長一段時間內，光纖激光器的發(fā)展陷入了低谷。直到２０ 世紀７０年代初，康寧公司根據高錕等人提出的理論 研制出損耗４ｄＢ／ｋｍ 的光纖，使得１．５５μｍ 波長摻 鉺（Ｅｒ３＋ ）光纖 激 光 器 迎 來 了 發(fā) 展，但 由 于 Ｅｒ的量 子虧損較大，導致其無法實現(xiàn)高功率輸出。綜上，早 年光纖激光器的功率較低，大多在瓦級甚至毫瓦級 以下，以１．５５μｍ 通信波段摻鉺光纖激光器較為，其主要用于光纖放大器，１．０８μｍ 波段的光纖激 光器主要用于微電子及激光打標等。
１．２ 近３０年的發(fā)展歷程
１．２．１ 國外發(fā)展情況
１９９３年，ＨｏｎｇＰｏ等人研制出摻釹雙包層光纖 激光 器。２００２ 年，Ｊ．Ｌｉｍｐｅｒｔ 等 人 研 制 出 鉺 鐿 （Ｅｒ３＋／Ｙｂ３＋ ）共摻的雙包層光纖激光器，實現(xiàn)了１５０ Ｗ 的單模連續(xù)激光功率輸出，大大推動了高功率摻 鐿光纖激光器的開發(fā)。２００９年，光纖激光器的 者ＩＰＧ 公司基于同帶泵浦技術使用１．０１８μｍ 的激 光 作 為 泵 浦 光， 實 現(xiàn) 了 單 纖 單 模 輸 出 １０ ｋＷ，光束 質 量 因 子 Ｍ２ ＜１．３１。２０１２年，ＩＰＧ 公 司的單纖單模功率達到了２０ｋＷ。截至２０１９年 １月，ＩＰＧ 公司 的 光 纖 激 光 器 輸 出 水 平 為 單 模 ２０ｋＷ 與多模５００ｋＷ。圖１示出了國外光纖激光 器單纖單模激光功率Ｐ 的提升情況，可以看出從 １９９７年至２０１２年，光 纖激光器的單纖單模輸出功 率水平的提升大致為２．０ｄＢ／ａ，約合１．５８倍／ａ。
２ 高功率光纖激光器的技術演進
光纖激光器功率水平的提升主要借助于三方面 的技術發(fā)展：ａ．光纖激光器結構的優(yōu)化，使其可在降 低系統(tǒng)溫升的情況下提高輸出功率；ｂ．有源光纖、泵 浦源、合束器等光纖激光器核心器件的功率水平的 提升，為激光器高功率輸出提供了硬件保障；ｃ．光纖 處理設備的升級，包括大芯徑光纖切割刀、熔接機、 再涂覆機等性能的提升，使得光纖熔接點的損耗、發(fā) 熱大幅降低，從而對提升激光器的損傷閾值有極大 的益處。
３ 高功率光纖激光器技術發(fā)展瓶頸
雖然高功率光纖激光器相關技術有了快速的發(fā)展，但如果希望獲得更高的功率輸出則目前仍然存 在諸多技術瓶頸。相關研究表明，基于大模場摻鐿 石英光纖和二極管激光器泵浦的光纖激光器在理想 的情 況 下 可 實 現(xiàn) 單 纖 單 模 輸 出 功 率 為 ３６．６ｋＷ，但目前報道的光纖激光器輸出功率遠 低于此。經研究，光纖激光器輸出功率的受限因素 主要包括泵浦功 率、受 激 拉 曼 散 射（ＳＲＳ）以及 熱 透 鏡效應。
４ 總 結
２０１７年， 光 纖 激 光 器 市 場 為 ２０．３９ 億 美 元，預計２０２１年將 增 至２８．８５億美 元。從ＩＰＧ 公 司的銷售數(shù)據來看，其高功率光纖激光器銷售額將 達８．６７億美元，約占其光纖激光器銷售額的７１％， 且增速接近５０％。由此，可以預計未來高功率光 纖激光器仍然是光纖激光器市場的主力軍，提升光 纖激光器的輸出功率是占據未來市場必要條件。
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