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光纤激光器的应用与介绍

  2020-05-23         Chris         7977

光纤激光器是指以稀土元素掺杂的玻璃光纤作为激光器的增益介质,光纤激光器可以在光纤放大器的基础上研制而成:在光纤的作用下泵具有高功率密度
光纤激光器:
光纤激光器是指与掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发:泵的作用下光纤内高功率密度,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”,当适当加入正反馈回路(腔)可以形成激光振荡输出。
光纤激光器的应用范围很广,包括光纤通信、激光空间距离通信、工业、造船、汽车制造、激光雕刻、激光打标激光切割、印刷、金属、非金属钻在辊/切割/焊接、钎焊焊接、水淬,包层,和深度),军事国防安全、医疗设备、大型基础设施,与其他激光泵源,等等。
光纤激光器是指以掺稀土元素的玻璃光纤为增益介质的激光器。光纤激光器是在光纤放大器的基础上发展起来的。在泵浦光的作用下,容易增加光纤中的功率密度,导致激光加工材料的激光能级“粒子数反转”。当适当地加入一个正反馈回路(形成谐振器)时,就可以形成激光振荡输出。
结构:
激光信号的产生需要三个基本条件:粒子数反演、光反馈和达到激光阈值。因此,激光器由三部分组成:工作材料、泵浦源和谐振腔。光纤激光器的基本结构如下。泵浦光的目的是利用它作为外部能量来逆转增益介质中粒子的数量,这是泵浦光的来源。光学谐振器由两个镜子组成,允许光子在工作介质中被反馈和放大。泵浦的光被吸收到增益光纤中,然后在增益介质中能量级粒子的数目被反转。当谐振腔内的增益大于损耗时,两镜之间形成激光振荡,产生激光信号输出。
特点:
(1)光束质量好。
光纤的波导结构决定了光纤激光器容易获得单横模输出,且受外界因素影响小,可以实现高亮度的激光器输出。
(2)效率高。
光纤激光器可以选择发射波长与掺稀土元素吸收特性相匹配的半导体激光器作为泵源,实现高效率的光-光转换。掺镱高功率光纤激光器一般选用915或975纳米半导体激光器。荧光寿命长,能有效储存能量,实现大功率运行。商用光纤激光器的整体电光效率可达25%,有利于降低成本、节能环保。
(3)散热性能好。
光纤激光器采用长而细的掺杂稀土元素光纤作为激光增益介质,其表面积和体积比都非常大。约为固体块激光的1000倍,在散热方面具有天然优势。在中、低功率的情况下,不需要对光纤进行特殊的冷却。在大功率情况下,采用水冷散热,也能有效避免固态激光器常见的热效应引起的光束质量和效率下降。
(4)结构紧凑,可靠性高。
光纤激光器由于采用小而软的光纤作为激光增益介质,有利于压缩体积,节约成本。泵源也使用体积小、易于模块化的半导体激光器,商业产品通常可以尾光纤输出,结合光纤布拉格光栅,光纤化趋势设备,只要这些设备焊接可以实现光纤化趋势,受环境干扰的能力高,有很高的稳定性,可以节省时间和成本的维护。
分类:
首先,根据纤维材料的种类进行分类
1. 晶体光纤激光器。工作材料为激光晶体光纤,主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+: YAG单晶光纤激光器。
2. 非线性光纤激光器。主要有受激拉曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。
3.稀土掺杂光纤激光器。光纤基体材料是玻璃,掺入稀土元素离子到光纤中活化,并制成光纤激光器。
4. 塑料光纤激光器。光纤激光器是在塑料光纤芯或包层中加入激光染料制成的。
2增益介质的分类如下:
1. 晶体光纤激光器。工作材料为激光晶体光纤,主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器。
2. 非线性光纤激光器。主要有受激拉曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。
3.稀土掺杂光纤激光器。将稀土元素离子掺杂到光纤(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等,基体可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶)中,使光纤激光器。
4. 塑料光纤激光器。光纤激光器是在塑料光纤芯或包层中加入激光染料制成的。
三、按谐振腔结构分类
它分为f-p腔、环形腔、环形反射光纤谐振腔、“8”形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。
四、按纤维结构分类
它分为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器和特种光纤激光器。
按输出激光特性分类
脉冲光纤激光器按其脉冲形成原理可分为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器,脉冲光纤激光器按其脉冲形成原理可分为Q调制光纤激光器(脉冲宽度为ns量级)和锁模光纤激光器(脉冲宽度为ps或fs量级)。
 
优势:
光纤激光器作为第三代激光技术的代表,具有以下优点:
(1)玻璃纤维制造成本低,技术成熟,光纤缠绕带来的小型化、集约化优势;
(2)入射泵浦光的玻璃纤维不需要与晶体一样严格的相位匹配,这是由于玻璃基体的完全分裂导致的不均匀加宽导致的宽吸收带;
(3)玻璃材料体积比极低,散热快,损耗低,转换效率高,激光阈值低;
(4)多输出激光波长:这是因为稀土离子能级非常丰富,稀土离子种类繁多;
(5)可调性:由于玻璃纤维具有较宽的稀土离子水平和较宽的荧光光谱。
(6)由于光纤激光器的谐振腔内没有光学透镜,因此具有可自由调节、免维护和高稳定性的优点,这是传统激光器无法比拟的。
(7)光纤输出,使激光可以很容易地满足任意空间的各种多维加工应用,使机械系统的设计非常简单。
(8)能适应恶劣的工作环境,对灰尘、冲击、冲击、湿度、温度有较高的耐受性。
(9)不需要热电制冷和水冷却,只需简单的空气冷却。
(10)光电效率高:综合光电效率高达20%以上,大大节省了工作过程中的功耗和运行成本。
(11)大功率商用光纤激光器为6kw。
应用程序:
1. 标志的应用
脉冲光纤激光器具有良好的光束质量、可靠性和免费维修时间最长,整体光电转换效率最高的,脉冲重复频率、最小的体积,不需要水的最简单和最灵活的使用方式,最低的运营成本使其在高速度,高精度激光雕刻的唯一选择。
一种光纤激光标记系统可以由一个或两个功率为25瓦的光纤激光器、一个或两个用于将光引导到工件上的扫描头和一台控制扫描头的工业计算机组成。这种设计比使用两个扫描头之间的50W激光束效率高四倍以上。系统最大打标范围为175mm*295mm,光斑尺寸为35um,全打标范围的绝对定位精度为+/-100um。工作距离为100um的聚焦点可小至15um。
2. 材料加工应用
光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的热处理过程。约1微米的激光能量很容易被金属、塑料和陶瓷材料吸收。
3.材料弯曲应用
光纤激光成型或弯曲是一种用来改变金属板或硬质陶瓷的曲率的技术。集中加热和快速自冷导致激光加热区域的塑性变形,永久改变目标工件的曲率。结果表明,激光微弯法比其它方法具有更高的精度,是一种理想的微电子制造方法。
4. 激光切割的应用
随着光纤激光器功率的不断提高,光纤激光器在工业切割中得到了广泛的应用。例如,不锈钢动脉管是由一个快速的连续光纤激光器微切割。由于其高光束质量,光纤激光器可以实现非常小的聚焦直径和由此产生的小狭缝宽度,这是令人耳目一新的标准,在医疗设备行业。
Application and introduction of fiber laser:

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