長(zhǎng)飛特種光纖系列之九 —光纖激光器高功率有源光纖

  ICCSZ訊 高功率光纖激光技術(shù)是近年來(lái)激光技術(shù)領(lǐng)域炙手可熱的研究方向之一，已在工業(yè)制造、醫(yī)療、能源勘探、軍事國(guó)防等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在高功率切割和焊接應(yīng)用方面，光纖激光器已經(jīng)從高功率CO2激光器和固體激光器手中搶占了大量市場(chǎng)份額，隨著我國(guó)汽車(chē)行業(yè)輕量化的推進(jìn)和復(fù)合材料加工市場(chǎng)的應(yīng)用拓展，高功率光纖激光器具有愈加蓬勃發(fā)展前景。

  在千瓦級(jí)光纖激光器系統(tǒng)中，高功率泵浦源、作為增益介質(zhì)的摻鐿光纖、各種光器件以及用作光器件尾纖的無(wú)源光纖都是關(guān)鍵原材料。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)自主封裝的泵浦源和各種光器件在光纖激光領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但是用于高功率激光的摻鐿光纖仍被國(guó)外的供應(yīng)商占據(jù)絕對(duì)份額，且價(jià)格昂貴。

  客觀來(lái)講，中高功率摻鐿光纖對(duì)光纖的性能指標(biāo)、長(zhǎng)期可靠性、穩(wěn)定量產(chǎn)等提出了更為嚴(yán)格的要求，具有很高的技術(shù)門(mén)檻，國(guó)內(nèi)技術(shù)與國(guó)外相比，還是存在著差距，需要加快研發(fā)進(jìn)度，迎頭趕上。因此，作為高功率光纖激光器的核心原材料，摻鐿光纖實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化仍然是光纖激光器國(guó)產(chǎn)化的重中之重。

  經(jīng)過(guò)5年的技術(shù)沉淀、平臺(tái)建設(shè)、產(chǎn)品系列化研發(fā)改進(jìn)，長(zhǎng)飛公司目前已經(jīng)推出了應(yīng)用于1000~1500W連續(xù)高功率光纖激光器的雙包層14/250摻鐿光纖，以及應(yīng)用于1500~2000W連續(xù)高功率激光器的雙包層20/400摻鐿光纖。

  1.技術(shù)指標(biāo)

  長(zhǎng)飛公司所開(kāi)發(fā)的光纖具有較高的光-光(泵浦光-激光)轉(zhuǎn)換效率、高的涂層可靠性和強(qiáng)抗光子暗化能力。基于MCVD+CDS(螯合物氣相沉積法)技術(shù)和三元摻雜體系的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、摻雜配方和制備工藝進(jìn)行不斷優(yōu)化，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了如表1所示的水平：

  2.轉(zhuǎn)換效率與光子暗化

  眾所周知，中高功率連續(xù)光纖激光器的制造成本主要來(lái)源于大功率泵源，因此整機(jī)系統(tǒng)的熱管理尤為重要，摻鐿光纖需要有高的轉(zhuǎn)換效率，才能提高泵源的利用率;同時(shí)高的轉(zhuǎn)換效率可以降低光纖發(fā)熱量，大大減緩由于發(fā)熱導(dǎo)致的光纖涂層老化，因此延續(xù)整機(jī)的使用壽命，保證長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作。

  圖1 高功率光纖激光器原理圖

  我們對(duì)長(zhǎng)飛14/250雙包層摻鐿光纖和20/400雙包層光纖按照?qǐng)D1所示的平臺(tái)進(jìn)行了激光性能測(cè)試。在圖1中多路915nm的泵浦光通過(guò)合束器耦合進(jìn)入摻鐿光纖，利用1080nm的光柵對(duì)提供諧振反饋，CPS對(duì)未吸收的泵浦光進(jìn)行剝離，在此結(jié)構(gòu)下測(cè)試結(jié)果如下：

  圖2 14/250和20/400 DC YDF 915nm泵浦光光轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果

  如圖2所示，14/250DC YDF和20/400DC YDF光-光轉(zhuǎn)換效率均達(dá)到了67%以上，并且隨著泵浦功率的增加，光-光轉(zhuǎn)換效率還會(huì)繼續(xù)增加。

  為驗(yàn)證長(zhǎng)飛公司有源光纖的穩(wěn)定性，測(cè)試人員增加了一組1400W的穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，雙包層20/400摻鐿光纖1小時(shí)內(nèi)功率波動(dòng)值在0.21%，如圖3所示。

  圖3 400W連續(xù)1小時(shí)功率測(cè)試

  3.非線性效應(yīng)

  高功率工作狀態(tài)下的非線性效應(yīng)也至關(guān)重要，長(zhǎng)飛雙包層14/250摻鐿光纖在過(guò)千瓦輸出的情況下拉曼次峰所占的功率比值非常低——拉曼峰與主峰功率差為近50dB。

  長(zhǎng)飛公司著眼未來(lái)高功率光纖激光器市場(chǎng)，基于對(duì)光纖激光器及其應(yīng)用的深刻理解，充分利用長(zhǎng)飛公司特種光纖的研發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)、技術(shù)能力與悠久的工藝沉淀，努力為行業(yè)提供國(guó)產(chǎn)化的優(yōu)質(zhì)特種光纖!