所謂高功率光纖激光器，是相對于光纖通訊中作為載波的低功率光纖激光器而言（功率為mW級），是定位于機械加工、激光醫(yī)療、汽車制造和軍事等行業(yè)的高強度光源。高功率光纖激光器巧妙地把光纖技術與激光原理有機地融為一體，鑄造了21世紀最先進和最犀利的激光器。即使是在激光技術發(fā)達的國家，光纖激光器也是尖端、神秘和充滿誘惑的代名詞。
　　顧波博士表示，從利潤和銷售額來看，光纖激光器最大的市場在千瓦級以上的應用。目前來講，二維鈑金切割是千瓦級光纖激光器的主要應用，國內(nèi)的大功率切割機市場每年有近兩千臺的需求。高功率激光的焊接和其他應用，市場潛力更大。正由于此，國內(nèi)大廠家均瞄準了高功率產(chǎn)品。
　　從技術層面上來講，高功率光纖激光器分單模和多模。將幾個較低功率（低于千瓦級）的單模光纖激光輸出合成一個千瓦級的輸出應遠比千瓦級的單模輸出要容易。雖然，能取得多大功率的單模輸出代表著高功率光纖激光器廠家的技術水平，但從原則上說，能取得幾百瓦單模光纖激光輸出的廠家均能做出千瓦級的多模光纖激光器。而大部分工業(yè)應用，如中厚鈑金切割和焊接，并不需要單模。目前有兩家公司已推出千瓦級的光纖激光器。梅曼宣布推出1KW工業(yè)光纖激光器，銳科實現(xiàn)了1-4KW功率的工業(yè)光纖激光器產(chǎn)品樣機，并且將在2012年下半年推出1-2KW產(chǎn)品，2013年推出4KW產(chǎn)品。另外，至少還有4家公司聲稱將要推出千瓦級的光纖激光器。
　　種種跡象表明，國產(chǎn)工業(yè)光纖激光器的市場推廣即將或已到來。與國外同類產(chǎn)品的競爭即將展開。
　　中國造出萬瓦光纖激光器
　　武漢銳科光纖激光器技術有限責任公司是中國第一家，也是目前中國最大的專門從事高功率光纖激光器及核心器件研發(fā)和規(guī)模化生產(chǎn)的企業(yè)，該公司于2013年研發(fā)出我國首臺萬瓦光纖激光器，標志著中國在高功率光纖激光器研制領域進入世界先進水平，成為繼美國后第二個掌握此項尖端技術的國家。
　　銳科激光公司聚集了一批海內(nèi)外光纖激光器領域的高端專業(yè)技術人才，擁有國家“千人計劃”、國家特聘專家和一批多年從事高功率光纖激光器及其關鍵器件和電源研究的頂尖專家和優(yōu)秀工程師，是國內(nèi)最強的光纖激光器研發(fā)團隊，主持承擔了國家科技支撐計劃，國家重大科技專項和國家“863”計劃等項目的研究，5項成果通過省部級鑒定，2項成果獲得湖北省科技進步一等獎，牽頭起草我國第一部《光纖激光器》行業(yè)標準。公司擁有近四十項專利。2011年公司獲得國務院僑辦頒發(fā)的“重點華僑華人創(chuàng)業(yè)團隊”稱號。
　　為打破壟斷，銳科激光公司先后成立了“光纖激光器湖北省工程研究中心”“湖北省高功率激光裝備工程技術研究中心”，攻克了高功率光纖耦合器、增益光纖光子暗化測試技術、光纖激光器驅動與控制電路等關鍵核心技術，自主研發(fā)了國內(nèi)第一臺10W脈沖全光纖激光器、第一臺25W脈沖全光纖激光器、第一臺100W連續(xù)全光纖激光器產(chǎn)品、第一臺1000W連續(xù)全光纖激光器和第一臺4000W連續(xù)全光纖激光器，光纖耦合半導體、光纖耦合器、光纖隔離器、增益光纖、光纖耦合聲光調(diào)制器等部分關鍵器件已實現(xiàn)了國產(chǎn)化，形成了較為完善的光纖激光器產(chǎn)業(yè)鏈。公司的光纖激光器產(chǎn)品質(zhì)量達到國際一流的品質(zhì)，公司先后通過多項國際權威機構認證，榮獲湖北省名牌產(chǎn)品，其中有四項產(chǎn)品被國家列為重點新產(chǎn)品。這些成果一舉打破了國外少數(shù)發(fā)達國家對我國的價格壟斷、技術封鎖和部分產(chǎn)品禁運，提升了我國激光高端制造業(yè)的水平和國際地位，迫使國外廠商對同類產(chǎn)品的價格下降60%，實現(xiàn)進口替代，同時爭取到了國內(nèi)市場30%的份額，產(chǎn)品出口韓國、日本、印度、伊朗、德國、西班牙等20多個國家。
　　美軍研發(fā)60千瓦級高功率光纖激光器
　　美國陸軍空間與導彈防御司令部官員宣布授予洛克希德·馬丁阿庫萊特公司一項價值為2520萬美元的合同，為高能量激光移動示范者(HEL MD)項目研制60千瓦頻譜組合高功率光纖激光器。
　　HEL MD項目是美國陸軍和位于圣路易斯的波音公司定向能系統(tǒng)分部共同執(zhí)行的一個聯(lián)合項目。
　　洛克希德·馬丁阿庫萊特公司激光武器專家贏得長延時合同，開發(fā)車載激光武器系統(tǒng)用60千瓦光纖激光器模塊，以擊落敵方的無人飛行器(UAV)、火箭、炮彈等。
    美國陸軍官員已經(jīng)在2013年8月宣布授予洛·馬阿庫萊特公司該項為期3年的單源合同。HEL MD項目將在陸軍和美國國防部測試靶場及其它戶外場所運行操作。合同于2016年底完成。與此相關的行動是，美國陸軍空間與導彈防御司令部官員在今年2月向產(chǎn)業(yè)界發(fā)展征詢，希望能提供一個50千瓦功率可調(diào)的激光器，其冷卻系統(tǒng)能放置在一個8X53英尺的平板拖車上。
　　光纖激光器被譽為第三代最先進的工業(yè)加工激光器，同時也是世界各國著力發(fā)展的高端激光器，在工業(yè)加工領域具有多方面的優(yōu)勢。它的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，將極大提升我國高端激光器的研制水平，同時為我國大功率數(shù)控激光加工裝備提供“中國心”，極大促進我國激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當前階段，我們已經(jīng)取得了一定的成績，但我們也清楚的認識到，我們的光纖激光器產(chǎn)品與國外領先水平還有很大一段距離。
     一、光纖技術
     光纖激光器的最大特點就是一根光纖穿到底，整臺機器高度實現(xiàn)光纖一體化。而那些只在外部導光部分采用光纖傳輸或者LD泵浦源采用尾纖來耦合的激光器都不是真正意義上的光纖激光器。
     光纖是以SiO2為基質(zhì)材料拉成的玻璃實體纖維，主要廣泛應用于光纖通訊，其導光原理就是光的全反射機理。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為9-62.5μm) 、中間低折射率硅玻璃包層 (芯徑一般為125μm) 和最外部的加強樹脂涂層組成�！匆妶D一〉光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖：中心玻璃芯較細(直徑9μm+0.5μm)，只能傳一種模式的光，其模間色散很小，具有自選模和限模的功能。多模光纖：中心玻璃芯較粗(50μm +1μm)，可傳多種模式的光，但其模間色散較大，傳輸?shù)墓獠患儭?/SPAN>  
     用于高功率光纖激光器中的光纖不是普通的通訊光纖，而是摻雜了多種稀有離子、結構更為復雜、耐高輻射的特種光纖---雙包層光纖。
   雙包層光纖比普通光纖在纖芯外多了一個內(nèi)包層，對泵浦光而言是多模的，直徑和受光角較大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纖內(nèi)聚集大量的光子。實踐證明：橫截面為D型和矩形的雙包層光纖具有95%的耦合效率因而得到廣泛應用。對于脈沖光纖激光器而言，一個重大的課題就是如何提高光纖的耐輻射能力。目前世界上光纖激光器的單脈沖能力可以達到20,000W，一根頭發(fā)絲大小的光纖如何能承受如此高的激光輻射？所以必須考慮在光纖內(nèi)摻雜某種特殊離子防止光纖被燒壞。比如摻雜了鈰離子的光纖就是在核輻射情況下，既不會因染色而失去透光能力，更不會受熱變形。  
    二、傳統(tǒng)固體激光器  
     激光器說白了就是一個波長轉換器---波長短的泵浦光激勵摻雜離子轉換成長波長的光輻射，它一般由3部分組成：工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦系統(tǒng)。由于光纖激光器本質(zhì)上屬于固體激光器，所以在此僅比較一下傳統(tǒng)Nd:YAG激光器的特性。 
    工作物質(zhì)：
    工作物質(zhì)是固體激光器的心臟，它的物理性質(zhì)由基質(zhì)材料決定，光譜性質(zhì)由激活離子內(nèi)的能級結構決定。在YAG單晶體中摻入三價的Nd3+，便構成了目前廣泛應用的YAG激光晶體。它主要有如下明顯的特點：  
    1、YAG棒生長速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶體棒的直徑為40mm，長180mm，所以激光增益從根本上受到限制，無法實現(xiàn)特高功率激光輸出。  
    2、工作物質(zhì)只要是晶體就無法回避激光棒的熱透鏡效應、熱應變和熱致雙折射現(xiàn)象，嚴重時出現(xiàn)“激光淬滅”和激光棒斷裂；所以，YAG激光器效率很低。
   3、Nd:YAG棒的主要吸收譜線在810nm附近，其帶寬約為2nm，所以要嚴格控制泵浦源的線寬，否則 吸收無效反而造成熱損耗，所以YAG激光器一般要加龐大的冷卻系統(tǒng)。 
    4、由于Nd3+半徑與Y3+半徑不完全相符，Nd3+離子摻入YAG晶體中在結構上存有天生的缺陷造成光學瑕疵，不能夠在YAG晶體中摻入高濃度的Nd3+來實現(xiàn)高增益，這同時也是影響激光器光學性能的根本。
    5、處于亞穩(wěn)態(tài)能級的Nd3+離子平均壽命長為300us，其最佳Q開關重復頻率只能是1/300us，即3.3Khz，所以YAG激光器的Q開關一般設定為3-5Khz而無法實現(xiàn)高頻工作。  
    光學諧振腔：  
     傳統(tǒng)光學諧振腔主要由工作物質(zhì)兩端鍍了膜的兩塊鏡片組成，起著正反饋、選模和輸出耦合的作用。比較光纖激光器獨特的腔結構，傳統(tǒng)光學諧振腔主要有如下特點：  
    1、由于是由兩塊鏡片組成，諧振腔受到機械振動、熱透鏡效應以及晶體棒熱焦距擾動影響，從而造成激光無法正常出光，需極為煩瑣的調(diào)光與監(jiān)控。  
    2、腔鏡對灰塵、水分和雜物十分敏感，需經(jīng)常專業(yè)擦拭，否則影響激光功率。  
    3、腔長長度與輸出功率是一對矛盾，光束質(zhì)量與激光能量是一對矛盾；只有采取昂貴的選模/鎖模腔才可以實現(xiàn)高質(zhì)量的大功率輸出。
    4、從激光晶體激勵出來的初始激光不是單模光，而是一束直徑為幾毫米的光束，必須通過腔鏡衰減或 選模機制來實現(xiàn)單模輸出，從而降低了整體轉換效率。  
    泵浦系統(tǒng)：  
    由于燈泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點廣為人知，在此僅談談DPSSL的泵浦方式的某些特性：  
   1、由于DPPSSL主要是在泵浦系統(tǒng)上稍作改進，它只能緩解激光棒熱效應，而無法從本質(zhì)上根除晶體激光器的這個弊病。
   2、需嚴格控制LD的波長在808-812nm之間，要么加冷卻系統(tǒng)，要么加波長鎖定器，這是由于Nd :YAG晶體光譜特性所決定的。  
   3、如泵浦光聚焦在幾毫米的晶體端面進行端泵，一是無法實現(xiàn)高功率輸出；二是泵浦光不能太強，否則膜層可能脫落，晶體棒無法及時散熱，甚至出現(xiàn)棒畸變。  
   4、如泵浦光對晶體進行側面泵浦，則一般為多模輸出，如不采取專門措施，無法提高光束質(zhì)量。 
   5、LD直接發(fā)射出的激, 光為高度高斯像散光束，在進行端泵時需增加各種光學元件把泵浦光校準、聚焦在晶體上，這些附加的光學器件必將受到機械振動、灰塵和潮濕的影響，從而降低轉換效率。 <, BR> 三、低功率光纖激光器  
    普通通訊用的光纖激光器輸出功率一般都是毫瓦級，其典型結構與我們傳統(tǒng)加工用的工業(yè)激光的顯著區(qū)別有：  
   1、用摻雜離子的光纖作為工作物質(zhì)  
   2、用光纖光柵代替光學鏡片構成光學諧振腔  
   3、LD泵浦源可以通過尾纖與摻雜光纖無縫耦合  
   4、導光部分也直接采用光纖輸出  

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2015030601