針對這一弱點,人們又進一步發(fā)展了光纖耦合的端面泵浦和側(cè)面泵浦方式。端面泵浦激光器由激光二極管、兩個聚焦系統(tǒng)、耦合光纖、工作物質(zhì)和輸出反射鏡組成。與直接端面泵浦不同,這種結(jié)構(gòu)首先把激光二極管發(fā)射的光束質(zhì)量很差的激光耦合到光纖中,經(jīng)過一段光纖傳輸后,從光纖中出射的光束變成發(fā)散角較小的、圓對稱的、中間部分光強最大的泵浦光束。用這一輸出的泵浦光去泵浦工作物質(zhì),由于它和振蕩激光在空間上匹配得很好,因此泵浦效率很高。由于激光二極管或二極管陣列與光纖間的耦合較與工作物質(zhì)的耦合容易,從而降低了對器件調(diào)整的要求。而且最重要的是這種耦合方式能使固體激光器輸出模式好、效率高。
側(cè)面泵浦板條固體激光器要得到更大功率的激光輸出,就必然要采用泵浦功率較大的陣列型激光二極管,由于陣列二極管的發(fā)光面較大,不可能利用端面泵浦,因此,大多采用側(cè)泵浦方式。這種結(jié)構(gòu)的特點是,在工作板條的一側(cè)用激光二極管陣列,另一側(cè)是全反器,使泵浦光盡量集中到工作物質(zhì)中。板條狀激光器結(jié)構(gòu)的特點是,激光通過工作物質(zhì)介質(zhì)全內(nèi)反射傳輸,這樣,激光經(jīng)過工作物質(zhì)的長度就大于工作物質(zhì)的外形長度,即提供了更長的有效長度。在有效長度內(nèi),工作物質(zhì)皆可直接吸收到由激光二極管發(fā)射的泵浦光,從而較易獲得大功率輸出,研究開發(fā)的重點就在于發(fā)展大功率的端面泵浦固體激光器,從激光二極管發(fā)出的光束經(jīng)光學(xué)耦合從側(cè)面泵浦激光晶體,從而獲得單級輸出的激光;并可以根據(jù)所要得到的輸出功率要求而改變激光工作物質(zhì)的長度而改變激光二極管泵浦的效率和功率。
圖二(a)二極管側(cè)面泵浦固體激光器示意圖
圖二(b)新加坡制造技術(shù)研究院研制的二極管側(cè)面泵浦固體激光器
2.光纖激光器
光纖激光器屬光波導(dǎo)激光器,以摻稀土元素(Nd,Yb或Er)的光纖為工作物質(zhì),并用二極管激光作為泵浦源??擅}沖和連續(xù)運轉(zhuǎn),其性能已明顯優(yōu)于二極管泵浦固體激光器,不僅在光纖通訊領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,而且由于大功率光纖激光器的成功開發(fā),正向激光打標(biāo)、焊接、切割等工業(yè)激光應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展。
光纖激光器基本結(jié)構(gòu)和固體激光器的結(jié)構(gòu)基本相同,由泵浦源(激光二極管和必要的光學(xué)耦合系統(tǒng))、增益介質(zhì)(摻稀土元素的增益光纖)、諧振腔(可為反射鏡、光纖光柵或光纖環(huán))等組成。按泵浦光的入射方式,光纖激光器可分為:端面泵浦光纖激光器、雙包層光纖激光器和任意形狀光纖激光器。
圖三 IPG生產(chǎn)的系列光纖激光器
1)端面泵浦光纖激光器
端面泵浦光纖激光器中的光纖與普通光纖十分相似,僅在纖芯摻以激光工作物質(zhì)。與二極管端面泵浦固體激光器的泵浦方式相似,采用光學(xué)耦合系統(tǒng)將泵浦光直接耦合到光纖的纖芯端面上。通常情況下,兩端面也是激光諧振腔的全反鏡和輸出鏡??梢钥闯?,這種結(jié)構(gòu)簡單,但其泵浦端面因面積很小,可以注入的泵浦光能量有限,故該類激光器屬小功率光纖激光器,它們大多應(yīng)用于光通訊中。
2)雙包層光纖激光器
為了克服端面泵浦光纖激光器注入功率小的問題,人們發(fā)明了雙包層光纖激光器。它主要由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護層組成。纖芯采用了稀土摻雜技術(shù),為激光增益介質(zhì),稀土離子吸收泵浦光并輻射單模激光,外包層采用低折射率材料。通常情況下,泵浦光采用斜入射方式,使泵浦光在內(nèi)外包層界面形成全反射,這樣,泵浦光在多次反射后,多次穿過內(nèi)包層和纖芯,使纖芯吸收率大大增加,可達90%以上。這種泵浦方式與二極管泵浦固體激光器的側(cè)面泵浦方式很相似,注入功率可以大大增加,又提高了泵浦光的利用率。這類光纖激光器的輸出功率在百瓦量級。
3)任意形狀光纖激光器
為了克服雙包層光纖激光器輸出功率受到限制,進一步提高輸出功率,日本學(xué)者率先開發(fā)出了一種任意形狀光纖激光器,有望獲得千瓦量級的光纖激光器。其方案是將光纖排放成盤狀結(jié)構(gòu),大大增加了泵浦光的利用面積,其有效利用面積比纖芯端面和包層端面大得多。根據(jù)光纖的排放方式不同,這類光纖激光器又可分為盤狀、片狀、圓柱狀、環(huán)狀和棒狀等不同結(jié)構(gòu)的光纖激光器。
三、全固化固體激光器市場和應(yīng)用展望
根據(jù)《Laser Focus World》報道,2002年全球商用激光器產(chǎn)值為43億美元,其中,非二極管激光市場為44%,預(yù)計2003年全球商用激光產(chǎn)值48億美元,其中非二極管激光市場占領(lǐng)41%。表二、三和四分別給出了近幾年來全球商用激光市場的情況??梢钥闯?,在全固化固體激光器中,二極管泵浦固體激光器仍然占主導(dǎo)地位。從2002年的銷售到2003年的銷售預(yù)測來看,全球非二極管激光產(chǎn)值平均增長為5.9%,燈泵浦固體激光器增長為5.83%,而二極管泵浦固體激光器增長卻高達12%,表明全固化固體激光器正快速增長,逐步在市場中成為主導(dǎo)產(chǎn)品。表五給出了1999-2001年國內(nèi)激光產(chǎn)品的銷售情況,可以看出,固體激光器銷售額遠(yuǎn)大于氣體激光器的銷售額,但全固化固體激光器的銷售額未見報道,其研究和開發(fā)還遠(yuǎn)落后于世界水平,其主要原因應(yīng)歸咎于我國大功率半導(dǎo)體激光器水平的落后。2001年國內(nèi)激光產(chǎn)品銷售額為28.39億元,僅湖北產(chǎn)值就為15.64億元,顯示武漢中國光谷在能量光電子方面的強大實力。
表二、 全球商用激光器市場(億美元)
1999年 |
2000年 |
2001年 |
2002年 |
2003年 |
49 |
88 |
56 |
43 |
48 |
表三、 全球二極管激光在全固化固體激光器中的應(yīng)用(億美元)
|
1999年 |
2000年 |
2001年 |
2002年 |
2003年 |
千臺 |
51.8 |
71.4 |
88.8 |
122.8 |
144.1 |
百萬美元 |
53.6 |
85.0 |
100.0 |
118.6 |
135.1 |
表四、全球非二極管激光器市場
|
燈泵浦 |
流動CO2 |
準(zhǔn)分子 |
二極管激光 |
封離式CO2 |
合計 |
2002年(億美元) |
6.18 |
4.35 |
3.75 |
1.92 |
1.12 |
18.8 |
2003年(億美元) |
6.54 |
4.57 |
4.01 |
2.15 |
1.12 |
19.9 |
2002年(臺) |
13281 |
2960 |
1405 |
9278 |
12355 |
113021 |
2003年(臺) |
13880 |
3110 |
1630 |
10430 |
12565 |
112506 |
表五、 1999-2001年全國激光產(chǎn)品銷售額按主要激光器件分類統(tǒng)計(萬元人民幣)
類別 |
1999年 |
2000年 |
2001年 |
|||
銷售額 |
增長率 |
銷售額 |
增長率 |
銷售額 |
增長率 |
|
氦氖激光器及應(yīng)用 |
1926.3 |
-32.7% |
2179.6 |
13.2% |
2634.45 |
20.9% |
CO2激光器及應(yīng)用 |
12018.9 |
38.7% |
15201.8 |
26.5% |
31942.5 |
110.1% |
YAG激光器及應(yīng)用 |
25635.1 |
-4% |
49639 |
93.6% |
66288.6 |
33.5% |
半導(dǎo)體激光器及應(yīng)用 |
39249.4 |
164.6% |
67612.6 |
72.3% |
156974.8 |
132.2% |
由于高功率全固化固體激光器的相繼成熟,其應(yīng)用領(lǐng)域也已從最成熟的光通訊方面向其它更為廣闊的激光應(yīng)用領(lǐng)域擴展,如材料加工中的激光標(biāo)記、激光焊接、激光打孔和激光切割等,其它領(lǐng)域如激光醫(yī)學(xué)、激光檢測和測量等。下圖給出了國外生產(chǎn)的光纖激光打標(biāo)機。
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