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976nm泵浦光纤激光器的优势和应用分析

  光纤激光器是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用半导体激光二极体(LD),增益介质为稀土掺杂光纤(通常为掺镱光纤,YDF),谐振腔一般由光栅和增益光纤组成。多个激光二极体产生的泵浦光通过前向、后向合束器进入谐振腔,增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转并产生辐射,所产生辐射光经受激放大后,通过后向合束器形成稳定的激光输出。
976nm激光器
 
  光纤激光谐振腔主要有高反射光栅、掺镱光纤、低反射光纤光栅三部分组成。在915nm和976nm波段有两个较强的吸收峰,因此掺镱光纤激光器通常选用的泵浦光波段为915nm或975nm。其中,975nm的吸收峰较高,大约是915nm的3倍。
 
  由于976nm的吸收是915nm的3倍,故产生相同功率的1070nm激光,所消耗的976nm泵浦光更少。而泵浦光是由电能转化而来,这就意味着采用976nm泵浦源,所消耗的电能更小,光电转化率更高,更加高效节能。综合分析,915nm的电光转化率在30%左右,而976nm的电光转化率可以达到42%以上。
 
  根据普朗克的量子假说:光子是具有能量的,能量的大小取决于频率v(即波长的倒数),波长越小,频率就越大,能量也就越大。镱离子吸收915nm或976nm的泵浦光发射1070nm激光时,便会产生能量的损耗,我们称之为量子亏损,损耗的能量会直接产生热量,影响激光器的稳定性。
激光器
 
  采用976nm的泵浦光发射1070nm激光时,电子跃迁的量子亏损率约为8.8%(1-976/1070),而采用915nm的泵浦光发射1070nm激光时,电子跃迁的量子亏损率约为14.5%(1-915/1070)。可见976nm的泵浦在光光转化率上较915nm的泵浦源有较大提升。
 
  既然掺镱光纤对976nm波长的光吸收更好,光光转化率也更高,那为什么之前包括现在大部分激光器都采用915nm的泵浦源呢?
 
  我们可以发现:976nm的吸收峰虽然比较高但是很窄;而915nm处的吸收峰则比较低和宽,吸收峰的高度虽然只有976nm的三分之一,但是吸收谱宽大约是976nm的5倍左右?对于976nm来说,轻微的波长变化就会严重影响吸收率。
 
  激光二极体的输出波长会随着温度的变化出现漂移。通常,温度漂移系数约为0.31nm/℃。这就体现为温度变化对激光器的性能影响较大。
 
  从能量转化角度来讲,激光器包含以下三种转换:
 
  ①220V/380V的电经过电源转换为各种等级电压以驱动泵浦源,
 
  ②泵浦源将电能转换为泵浦光,
 
  ③泵浦光经过谐振腔增益放大后输出激光。
 
  上述三种转换过程均存在一定的能量损耗,这些损耗的能量大部分转换为热量。温度的变化不仅会影响掺镱光纤对泵浦光的吸收,降低激光器的工作效率,而且未吸收的泵浦光还会导致光路中的其他元器件损坏。
 
  而掺镱光纤在915nm波段的吸收峰较宽,激光二极体波长漂移对吸收效率影响不大,激光器更加稳定,对于光纤激光器设计来说更易控制。因此,915nm泵浦方案过去在光纤激光器市场被广泛使用。
 
  随着光纤激光器功率的逐步提升,热量的控制变得尤为重要,采取有效措施来动态控制激光器内部热量并抑制热效应的产生已成为976nm泵浦激光器稳定运行的关键要素。
 
  光纤激光器的发热主要来自集中在对泵浦源和掺镱光纤这两部分。将泵浦源和掺镱光纤分离在两侧,对激光器的所有需要散热的热点均进行水冷散热,克服了传统的水冷结构紧凑和整体散热相冲突的局限性;同时,在水冷面上安装若干风扇,利用水冷和风冷的结合可以加速内部温度和湿度平衡,加快系统散热,减少局部过热点。
 
  光纤激光器以熔接来实现光纤器件的连接。为了激光器能够实现更高功率的指标,优质的光纤熔接是非常重要的。熔接位置的损耗会导致效率下降,光束质量出现劣化,泵浦、光纤和光纤器件发生损毁。采用独特的熔接点热管理技术,攻克了熔接点的技术难题,并申请了相关专利。
 
  光纤激光器通常在高温,高湿度多尘的环境中进行工业加工,增益光纤及关键焊接点长期在这种环境中容易老化影响光束质量以及输出效率。976nm双向泵浦光纤绕线盘结构,采用密封圈和盖板将内部光纤和焊接点密封在绕线盘里,一方面保证了光纤两端热负载较重区域能得到有效散热,另一方面对于外部坏境温度以及湿度有一定的隔绝性,可以降低结露发生,并防止灰尘进入提高激光器的稳定性。同时,不同的绕圈半径,可以有效滤出不同的特定高阶模式,输出光斑质量会更接近单模。
 
  此外,976nm波长的光能量密度高,因此回返光和残余光很大概率会损伤内部关键元器件,因此对它们的处理也至关重要。ABR抗高反技术,通过在激光器内部关键位置设计残余和回返光剥除装置,技术性地解决了器件损伤问题,确保高功率激光器的稳定运行。
 
  随着光纤激光器功率越来越高,使用915nm泵浦源的弊端也越来越凸显。由于掺镱光纤对915nm波长的光吸收效率低,为了使激光器输出更高功率,就要使用更多的915nm泵浦,这就意味着:
 
  ①激光器整机体积和重量的增加;
 
  ②更大的电力消耗;
 
  ③产生更多的热量,需要更大功率的冷水机;
 
  ④激光器整体方案设计难度增加。
 
  当输出功率高到一定程度时时,采用915nm泵浦方案将变得极为复杂。因此高功率光纤激光器需要采用更加有效的泵浦方案,976nm泵浦是大势所趋。

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