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光纤激光器的兴起对高功率切割和焊接应用方面

作者: 郑州百维 时间:2017-08-05 来源:百维激光
摘要:光纤激光器 的兴起。在 高功率切割和焊接应用 方面,光纤激光器已经从高功率 CO2 激光器和固体激光器手中抢占了大量市场份额。目前,一些主流的光纤激光器制造商正在探索许多新...

光纤激光器的兴起。在高功率切割和焊接应用方面,光纤激光器已经从高功率 CO2 激光器和固体激光器手中抢占了大量市场份额。目前,一些主流的光纤激光器制造商正在探索许多新的应用,以满足更多市场需求。
在高功率光纤激光器中,单模系统具有令人满意的特性 :它们具有高的亮度,可以聚焦至几微米到最高的强度。它们还具有最大的焦深,这使它们最适合远程加工。然而它们难以制造,只有市场领先的美国IPG Photonics 公司才能提供具有单模10kW 功率的系统。不幸的是,没有关于其光束特性的细节,特别是可能与单模光束一起存在的任何可能的多模成分。
由德国政府资助、来自德国Friedrich Schiller University 和弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所(Fraunhofer IOF)的科学家团队与德国通快公司、Active Fiber Systems 公司、 业 纳 公 司 和 Leibniz Institute ofPhotonic Technology 合作,分析了提升这种激光器功率的挑战,然后开发了新的光纤来克服这些限制。该团队成功地完成了一系列测试,展示了4.3kW 的单模输出,其中光纤激光器输出仅受到输入泵浦功率的限制。

图1:德国的一个研究团队已经展示了光纤激光器的4.3kW单模输出,其输出仅受到输入泵浦功率的限制。

抑制单模光纤激光提升的效应

这种单模大功率光纤激光器面临的挑战是什么?这些挑战主要可分为三个领域 :a)改进泵浦,b)设计具有低光学损耗且仅在单模运行下工作的有源光纤,以及 c)正确测量所得到的辐射。在本文中,我们假设挑战 a)可以通过高亮度激光二极管和适当的耦合技术得以解决,因此我们将主要精力聚焦在其他两个挑战领域。
在用于高功率单模运行的有源光纤设计中,有两组通用参数要优化 :掺杂和几何形状。必须确定所有参数以实现最小损耗、单模运行以及最后的高功率放大。完美的光纤放大器将提供超过90%的高转换率、完美的光束质量,以及仅由可用的泵浦功率限制的输出功率。
然而,将单模系统提升到较高功率可能导致激活纤芯内更高的功率密度,增加的热负载以及许多非线性光学效应,例如受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)。
最引人注目的是掺镱石英光纤典型的一种效应,并且在光纤激光器早期当光纤材料不像今天这样纯净时是众所周知的,这就是光致暗化。在该过程中,由于激光材料相互作用,在材料中形成缺陷中心或色心。这种效应是寄生的:它将泵浦光子转换成热,这导致较低的放大和增加的热负荷。

根据激活纤芯的尺寸,可以激发和放大几种横模。对于纤芯和包层之间给定的折射率阶跃,激活纤芯的截面越小,这些模式的数量就越小。然而,更小的直径也意味着更高的功率密度。一些技巧包括弯曲光纤增加高阶模式的损耗。
然而,对于较大的芯径,以及在热负载下,可能会出现其他模式。那些模式在放大期间经受相互作用,没有最佳传播条件,输出分布可能会在空间或时间上不稳定。
在上述光纤放大器测试期间,使用光电二极管分析的一小部分功率来确定 TMI 阈值。功率波动的发生相当突然和显著(见图 5)。虽然在使用光纤 1 的测试中,这种信号变化是显著的,但对于光纤 2 的功率水平达到4.3kW 都无法探测到这种情况。相应的斜率如图 5a 所示。

光谱和时间测量可以用常规技术来执行。它们允许探测诸如 SBS 发生(与 TMI 不同的时间特征)或 SRS(光谱特征)等效应。应当注意在高动态范围内进行测量,以观察寄生光谱特征的早期生长,如放大自发发射或SRS。这种高动态光谱如图 5b 所示,并证明 SRS 是不可探测的。
光束质量测量是光纤激光表征中最困难的部分,值得单独讨论。简言之,不引入热效应的衰减是关键,可以用菲涅耳反射或低损耗透射光学元件来完成。
在这里介绍的实验中,使用楔形平板和脉冲泵浦,在比 TMI 出现的时间长的时间范围上进行衰减。在4.3kW 的输出功率下,测得 x 方向上的 M2 为 1.27,y 方向上的 M2 为 1.21。
超快科学中的应用
在高功率单模光纤激光器功率提升大约十年的停滞之后,现在开发新一代具有优异光束质量的千瓦级光纤激光器似乎是可行的。业界已经展示了 4.3kW 的输出功率,并且输出仅受泵浦功率限制。确定了进一步提升的主要限制,并确定了克服这些限制的方法。
应当注意的是,对所有已知效应的仔细研究和随后的参数优化,带来了光纤设计的进步,并最终带来了输出功率的新记录。进一步提升和光纤适应其他应用看起来似乎是可行的,这将是接下来的目标。
这带来了一些有趣的观点。一方面,项目合作伙伴希望将结果转化为工业产品,但需要进一步的重大开发力量。另一方面,该技术与其他光纤激光系统(例如飞秒光纤放大器)的提升高度相关。
在超快激光脉冲的光纤放大中,单根光纤已经实现了近1 kW的功率,而通过组束技术,提升到 5kW 现在看来是可行的。虽然这些系统正在为诸如 ELI 等研究中心研发,开发可靠的光束传输手段仍然是工业系统的一项主要挑战。
单模光纤激光器和飞秒光纤放大器的提升,都将需要大量额外的研究工作。这一努力将得到 FraunhoferIOF 旁边一幢全新大楼的支持。这个新的光纤技术中心建筑于 2016 年完工,并设有专门的实验室,用于制造和表征有源光纤、无源光纤以及纳米结构光纤。还将安装用于制造特种光纤的单独拉丝塔。

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