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      光纖激光器的發展及應用領域

      2015/7/15 11:26:53??????點擊:

            OFweek激光網訊:大功率光纖激光切割機將是第三代最先進的工業加工、印刷、通信、醫療、化工,尤其是國防使用的重要器件。國際上普遍采用光纖激光技術于造船、汽車制造行業進行焊接、切割、打孔等工藝操作。歐美發達國家中,有50-70%的汽車零部件采用激光加工。美國建造新的船舶廣泛使用激光焊接一些高強度,低合金鋼的T型構件。為了使船舶平板適應海洋流體力學要求,這些構件都被設計成三維曲率形狀,而此種造型只有用光纖激光器加工才能實現。用激光輔助平板造型技術,完全可以取代費時、費力而且還有一定危險性的機械加熱成型工藝。日本Kawasaki重工造船業,德國的Meyer&Werft造船廠等都安裝了大功率的激光加工系統,并且抓緊開發2kW,6kW和更高如10kW光纖激光加工系統。歐洲正在加強光纖激光器的研發力度,由德國弗勞恩霍夫材料和光束技術研究所啟動了一個“領先的光纖激光器技術”的重大項目,投資1700萬歐元研制新型光纖激光器,并使其功率超過千瓦級。

        光纖激光器這樣高速度發展是由于光纖激光器的雙包層結構和包層泵浦技術的成功,以及半導體激光工藝的成熟,光纖光柵的刻劃和多元耦合器的實現有力地推動了光纖激光器的發展,使光纖激光器的技術快速提升,并很快發展到千瓦級功率輸出。

        目前,使用最廣泛的是摻雜稀土材料的激光介質,包括摻雜Yb3+,Nd3+,Er3+,Ho3+,Tm3+等離子材料。最普遍的摻Yb3+離子光纖激光器,在970~978nm半導體激光泵浦下,發出1.01.61μm的激光,英國南安普頓大學已經制備出1800W高功率激光器。此外,南安普頓大學還對摻Er3+光纖激光器進行了長時間研究,制造出了激光波長位于通信窗口的Er3+光纖激光器,其輸出功率達到150W。美國NPPhotonoics公司,亞利桑那大學也制造出性能優良的摻Er3+光纖激光器,并且進行了實際應用。最近,位于美國馬薩諸塞州牛津市的IPG公司設計出準連續高脈沖能量YSL-6006000-QCM-AC型號的光纖激光器,平均功率600W,最高峰值功率6000W,最大脈沖持續時間10ms,最大占空比10%,其轉換效率達到30%,可進行快速加工、焊接、打孔等工藝操作。

        SPI公司推出RedPower400W單模和平頂多模光纖激光器。特別適合切割和焊接薄型和中型金屬工件。長崎造船廠將美國IPG公司生產的l0kW光纖激光器和電弧進行復合焊接,顯著提高了船舶焊接質量,降低了成本,提高了經濟效益。

        人眼安全波長的高功率光纖激光器的發展也很快,主要以摻Tm”和摻Ho”離子為主,它們的激光波長范圍在1.5-1.6μm2.0μm附近。采用摻Nd3+YAG激光器的1.06μm泵浦摻Tm3+的石英光纖,已經實現了2.038μm激光輸出。美國NPPhotonics公司在摻Tm的鍺酸鹽玻璃中泵浦出1.7-2.017μm的激光,美國的NorhtropGrumman利用合成組束方法,在摻Tm3+光纖激光器中輸出了608W2.04μm的激光。人們應用Tm3+,Ho3+Er3+共摻方法,實現了中紅外波段的激光輸出,其波長范圍為2.0-2.8μm。但是,對于發射3.0-3.5μm的中紅外光纖激光器的研究還處于探索中,只有低溫下才能實現激光輸出。

        除了應用摻雜稀土材料制造激光介質之外,人們已經開始運用過渡金屬離子研制光纖激光器。俄羅斯科學院,日本大阪大學都對摻Bi2+離子激光器特性進行了研究。并制備出1.1-1.5μm的光纖激光器,而且對于其它過渡族金屬離子的激光器特性也進行了實驗,例如Ni2+,Cr4+等元素也都受到了研究者的重視。

        德國弗勞恩霍夫激光技術研究所制造出了平均功率400W的飛秒光纖激光器,創下了光纖飛秒激光輸出功率的新記錄。但是,對于峰值功率已經達到太瓦和拍瓦的飛秒光纖激光器,還不能達到完美實用化的要求,尤其是要增大它的有效模面積、增加介質摻雜濃度和耦合效率,進一步提高它的性能參數,以加快其實用化進程。

        我國的光纖激光器的應用和產業化發展也很快。尤其是國家提出要加快培育和發展戰略性新興產業的決定,更加有力地提升了光纖激光器技術的產業發展。西安光機所研制出全光纖激光器,輸出功率達到1000W,并對功率合成技術有了較大的發展;武漢瑞科公司生產了新的15W30W脈沖光纖激光器特別適合于高速打標、硅片劃線等工藝;南開大學,華南理工大學都進行了摻Er3+光纖的研究,取得長足的進展;上海團結普瑞瑪公司的OLPC1530平面激光切割機,已經在航天、汽車、電器兵器工業、包裝印刷等不同領域應用。大族激光的B3015LS2000激光切割機,切割速度達到19mmin,在汽車制造、廚具加工等行業都有著很大的市場潛力;華工激光,法力萊Walc系列大幅面數控光纖激光與等離子共軌切割機,對厚板、中板都能一次上料完成切割;南京四開電子企業有限公司與清華大學合作,研制出五軸聯動激光加工機床,光纖激光器的轉換效率可達到30%。武漢楚天激光集團股份有限公司制備出的大型光纖激光器切割機成功用于升空的神舟七號飛船,還在軍工加工中做出重要貢獻。武漢的華工科技成立了軍用激光技術研究所,他們利用光纖激光器進行激光打標、激光焊接、激光切割、激光精密修調、激光表面處理及其它軍工方面的工藝操作。

        總之,國內的一些公司已經廣泛地使用光纖激光器開展了許多領域的應用,而且還在不斷地擴展中,光纖激光器的應用在國內形成了一個很大的市場,具有巨大的發展潛力。但是,我國的光纖激光器發展很晚,落后于國際的研發水平,在國內所有這些大公司中,幾乎全部使用國外進口的光纖激光器。因此,開展具有獨立知識產權的激光材料研究和光纖激光器的制備研究,尤其是開展光子晶體光纖激光器的研究,是十分緊迫的,具有重大的科學價值和經濟效益的。

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