長飛特種光纖系列之一-光纖激光器中的雙包層摻鐿光纖

  ICCSZ訊  得益于材料加工行業(yè)的快速發(fā)展及逐漸成熟，工業(yè)激光器在全球激光器市場份額持續(xù)增長，其中光纖激光器表現(xiàn)尤為亮眼，國內(nèi)光纖激光器市場增長勢頭也十分迅猛。據(jù)統(tǒng)計，2016年國內(nèi)光纖激光器產(chǎn)能達(dá)7.4萬臺，主要構(gòu)成為近6萬臺小功率光纖激光器、1.2萬臺中功率光纖激光器和超過2000臺的高功率光纖激光器。

  光纖激光器系統(tǒng)中，有源光纖和無源光纖、激光二極管以及各種光纖器件的逐漸成熟和日臻進(jìn)步，使得光纖激光器和放大器隨之得到巨大的發(fā)展?；陔p包層摻鐿光纖，尤其是大模場雙包層摻鐿光纖(LMA DC- YDF)和匹配的大模場雙包層無源光纖(LMA DC- GDF)的性能特點(diǎn)，光纖激光器展現(xiàn)出高輸出功率(高峰值、平均功率)、優(yōu)異光束質(zhì)量優(yōu)勢、集成化、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

  國產(chǎn)光纖激光器近年表現(xiàn)搶眼，但多集中在中低功率領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，國產(chǎn)光纖激光器在中小功率的出貨量占比超過92%。在高功率應(yīng)用方面，國外企業(yè)依舊占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然國內(nèi)企業(yè)依靠泵源封裝、泵浦合束器、能量合束器、隔離器、光纖光柵、激光傳輸組件等器件的國產(chǎn)化，取得了長足進(jìn)步，逐步擺脫了對國外企業(yè)的依賴，但在某些關(guān)鍵器件技術(shù)及品質(zhì)方面仍有很大差距，如泵源芯片、匹配的大模場雙包層無源光纖和大模場雙包層摻鐿光纖在全功率段都沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化量產(chǎn)。現(xiàn)光纖激光器廠家大都使用進(jìn)口大雙包層摻鐿光纖并配套同樣進(jìn)口的雙包層無源光纖，這表明光纖激光器核心原材料并未實現(xiàn)國產(chǎn)化。同時嚴(yán)格的驗證標(biāo)準(zhǔn)和超長的驗證周期，進(jìn)一步導(dǎo)致激光器用光纖產(chǎn)品迭代改進(jìn)的速度落后。由此可見，雙包層摻鐿光纖及雙包層無源光纖國產(chǎn)化是制約國內(nèi)光纖激光器發(fā)展的重要原因。因此，國產(chǎn)化任務(wù)至關(guān)重要，刻不容緩。

  長飛公司經(jīng)過五年的技術(shù)積淀、平臺打造和產(chǎn)品系列化研發(fā)，已逐步推出了定位于低功率光纖激光器的125μm系列大模場雙包層摻鐿光纖和定位于中高功率光纖激光器的20/400系列雙包層摻鐿光纖。

  長飛公司通過MCVD平臺，在國內(nèi)首次采用CDS螯合物和鋁磷鐿三元摻雜工藝，很好得優(yōu)化了摻鐿光纖的光子暗化性能及耐高功率沖擊性能。同時借助多年的工藝技術(shù)沉淀，已建立成熟的大棒工藝路線。該路線不僅極大的提高了單棒產(chǎn)能，更提高了光纖的批次一致性和幾何均勻性。

  125μm大模場雙包層摻鐿光纖包含以下兩種型號：

  125μm系列大模場雙包層摻鐿光纖主要針對典型MOPA及調(diào)Q類型20W光纖激光打標(biāo)市場。其中DC-10/125 YDF的高吸收系數(shù)(>1.6dB/m@915nm)和大于60%的光光轉(zhuǎn)換效率，能夠保持一級使用長度在4米左右。對于MOPA型光纖打標(biāo)機(jī)，能顯著降低光纖的使用長度，節(jié)省成本。并且該光纖在915nm附近的平坦吸收峰能降低激光器系統(tǒng)對冷卻的設(shè)計要求。而對于調(diào)Q型光纖打標(biāo)機(jī)能降低一級諧振腔長，降低腔內(nèi)損耗，壓縮脈寬，提高二級脈寬的展寬冗余量，是提高打標(biāo)質(zhì)量的可靠保證。

  激光器使用長飛的雙包層10/125和20/125摻鐿光纖，功率輸出可控制在19w至21w之間，脈寬可控制在90-110ns之間;同時，由于長飛20/125的DC-YDF采用了大模場設(shè)計，20μm的纖芯摻雜經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，光纖激光器能保持近M2<1.5的激光光束輸出。

  長飛公司使用優(yōu)化后的光纖拉絲工藝，光纖在環(huán)境穩(wěn)定性方面有明顯改進(jìn)。尤其是通過了嚴(yán)苛的高溫高濕環(huán)境的快速老化驗證：光纖經(jīng)過8小時，125℃，2個大氣壓的老化后，玻璃包層與內(nèi)涂層之間依然保持一致的剝離力;在激光器廠商500小時連續(xù)烤機(jī)驗證過程中，使用長飛公司光纖的光纖激光器的功率輸出波動在5%以內(nèi);使用長飛125μm系列摻雙包層摻鐿光纖在經(jīng)過85℃/85%RH條件老化后，功率波動保持在3%以內(nèi)，同時二級輸出仍能保持較好的光束質(zhì)量。

  針對應(yīng)用于連續(xù)中高功率激光器300W-1500W的關(guān)鍵光纖原材料，長飛推出了大模場雙包層20/400摻鐿光纖，指標(biāo)如下：

  中高功率連續(xù)激光器的成本主要集中在泵源總功率和熱管理部分，長飛公司生產(chǎn)的有源光纖，有著較高的轉(zhuǎn)換效率，能減少泵源的功率輸出，降低泵源的熱管理難度。同時更高的轉(zhuǎn)換效率能降低光纖產(chǎn)生的熱量，大大減緩由于嚴(yán)重發(fā)熱造成的光纖涂層的老化速度，提高光纖乃至整機(jī)壽命，保持功率更長時間的穩(wěn)定輸出。

  如圖2所示，915nm的泵浦光耦合，使用1080nm的高低反光柵進(jìn)行測試，長飛公司大模場雙包層20/400摻鐿光纖的光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到67%，同時隨著泵浦功率的增加，光光效率呈現(xiàn)出增加的現(xiàn)象。(見圖3測試結(jié)果)

  為驗證長飛20/400光纖更高功率的穩(wěn)定性，測試人員增加了一組1400W的穩(wěn)定性測試實驗。測試結(jié)果顯示，長飛20/400光纖1小時內(nèi)功率波動值在0.21%，如圖4。

  綜上所述，長飛針對低功率打標(biāo)用光纖激光器應(yīng)用推出的125μm系列兩款雙包層摻鐿光纖(10/125和20/125)，在高溫高濕環(huán)境下涂層與玻璃包層的結(jié)合緊密，保證了長期的工作可靠性;雙包層20/400摻鐿光纖在中功率的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到67%，1400w輸出的功率波動極其穩(wěn)定。

  長飛公司著眼未來光纖激光器市場，基于對光纖激光器及其應(yīng)用的深刻理解，充分利用長飛公司特種光纖的開發(fā)生產(chǎn)平臺、技術(shù)能力與悠久的工藝沉淀，努力為行業(yè)提供國產(chǎn)化的優(yōu)質(zhì)特種光纖!