光纖激光器結構緊湊、電光效率高,一個重要的原因是采用半導體激光器作為泵浦源。半導體激光器采用PN結作為發(fā)光光源,電泵浦直接出光,電光效率在50%左右。目前單芯片出光功率已經突破20W,采用空間合成、偏振合成和光譜合成等多種方式進一步提升功率至數(shù)百瓦。合成之后的半導體激光通過透鏡耦合進入輸出尾纖,并經合束器進入激光器。
目前摻鐿光纖激光器主要的泵浦波長有三種,即915nm、976nm和1018nm,其中前兩種主要在工業(yè)產品中使用,最后一種則用于超高單纖功率科研產品中。摻鐿光纖激光器的泵浦波長的選擇主要是由摻鐿光纖(YDF)的吸收發(fā)射譜所決定的,如圖1所示。
圖1 摻鐿光纖吸收發(fā)射譜
可見,YDF在915nm附近和976nm附近各有一個吸收峰,其中915nm的吸收峰的吸收截面為976nm吸收峰的1/3,而915nm吸收峰的寬度則遠大于976nm吸收峰。吸收峰的特征也決定了為何工業(yè)激光器絕大部分采用915nm而非976nm作為泵浦源。一方面,半導體激光芯片在制造過程中,冷波長(低功率工作的波長)存在一定的分布,一般在數(shù)10nm左右,如果采用976nm吸收峰,則需要對激光芯片的波長進行篩選,導致良率下降,成本上升。另一方面,半導體激光器的輸出波長隨著其溫度(與散熱溫度、工作電流和功率有關)正相關,即溫度越高,波長向長波方向漂移,每度漂移量在0.3nm,因此如果采用976nm泵浦,則對激光器的冷卻和溫控提出很高的要求。915nm泵浦雖然吸收強度只有976nm泵浦的1/3,導致915nm泵浦激光器所使用的YDF長度為976nm的3倍,但是激光器設計更為簡單,也更為可靠皮實。
976nm泵浦在科研機構的研究中一直是主流技術路線,主要采用進口的976nm泵浦源,甚至是波長鎖定泵浦源,即通過在半導體激光器合成光路插入反饋波長的光柵以穩(wěn)定輸出波長和壓窄線寬。這類泵浦源成本很高,不適合于對成本要求極高的工業(yè)激光領域。
近年來,隨著976nm芯片和封裝技術的日漸成熟,特別是國內多年來光纖激光研究成果的外溢,976nm泵浦技術在工業(yè)領域也逐漸開始大規(guī)模應用。特別是對于水冷超高功率激光器,逐漸稱為一種技術趨勢。原因包括:
(1)976nm泵浦相比915nm泵浦量子效率高了近10%,使得系統(tǒng)具有更高的電光效率,也就是說同等輸出功率,所用的泵浦功率可以減少10%,有利于成本控制;
(2)由于連續(xù)激光器單位功率售價的不斷降低,泵浦源成本占比逐漸下降,而增益光纖的成本占比有上升趨勢,976nm泵浦相比915nm只需要用1/3的光纖長度,降低了光纖材料的成本,光纖長度的縮短使得激光器的整體構造也會更為小巧緊湊,同時對于高功率激光器,非線性效應也得到了有效的抑制;
(3)根據(jù)激光動力學過程和YDF的吸收發(fā)射譜數(shù)據(jù),976nm泵浦時上能級粒子布居數(shù)水平要遠低于915nm泵浦,使得YDF光暗化的風險下降,對于長時間工作的工業(yè)激光器,穩(wěn)定性得到提高。
當然,976nm泵浦也存在一定的風險和問題:
(1)對冷水機溫控精度要求更高,因為工業(yè)產品不可能采用成本高昂的976nm波長鎖定的泵浦源;
(2)高功率單模產品的模式不穩(wěn)定受限,由于單位長度吸收泵浦光的功率更高,熱負載更高,在功率高到一定程度時會導致TMI,使得輸出激光的M2顯著劣化;
(3)集成工藝難度增加,關鍵熔點的處理難度加大,以保證在較高的熱負載條件下能夠穩(wěn)定可靠工作。
在實際的應用中,特別是不單單關注功率的場合,需要考慮的因素還很多,需要綜合權衡選擇合適的泵浦方案。光至科技研發(fā)的2kW到5kW級高功率窄線寬單模連續(xù)激光器會根據(jù)不同的應用場景的需求,包括功率、光譜、光束質量以及非線性等綜合要求,選擇優(yōu)化的泵浦方案。
實際上,除了915nm和976nm兩個波長,940nm和960nm波長的泵浦源也經常在光纖激光器中使用。這種波長泵浦源的選擇往往跟增益光纖的選型有關,對于一些摻磷的YDF,其吸收發(fā)射譜形態(tài)可能發(fā)生變化,如圖2所示。此時915nm的吸收峰變得不明顯,較長的泵浦波長有助于提高激光轉換效率。
圖2 摻磷YDF的吸收發(fā)射譜
然而,隨著激光器功率的不斷提升,常規(guī)的半導體泵浦亮度已經很難滿足要求超高功率單纖輸出的要求,IPG于是提出了基于1018nm級聯(lián)泵浦方案,并基于此方案實現(xiàn)了單纖20kW的功率輸出。1018nm級聯(lián)泵浦的基本思路是,先利用976nm的半導體激光泵浦產生1018nm激光,將激光亮度提升數(shù)個量級,然后再將1018nm激光進行合束,并用于泵浦1080nm的激光,單纖激光器功率提升的泵浦亮度限制被打開。
光至科技開發(fā)了基于976nm泵浦的300W到500W的1018nm激光器模塊,并基于此模塊開發(fā)了5kW~8kW量級的1018nm泵浦模塊,適用于作為大型科研激光裝置的泵浦源。
光纖激光器的功率提升之路還在持續(xù),適用的工作場景越來越多,工程化程度也越來越高,市場前景廣闊,大有可為。這些成果的取得一方面得益于我國在高功率光纖激光器領域研發(fā)的持續(xù)大量的投入,突破了關鍵材料、器件和系統(tǒng)的核心技術,培養(yǎng)了一批專業(yè)人才,另一方面得益于近年來光纖激光器在工業(yè)領域的大規(guī)模應用,使得整個產業(yè)鏈更為完整,規(guī)?;瘍?yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。
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