光纤激光器泵浦光源技术问答

日期: 2020-03-11
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泵浦光源(简称泵源)作为光纤激光器的核心器件,对激光器的功能和性能无疑都有着至关重要的决定性作用。许多初接触激光或非激光专业技术人员对泵源这一器件尚不算深入了解,因此对这一器件的疑问也比较多。今天飞博激光将通过问答形式向非专业人士科普泵源的几个相关知识。

 

问题1   目前1μm光纤激光器泵浦光源有哪些?

飞博激光高级研发人员答:

1962年,H.W.Etzel等人成功研制出第1台掺镱离子(Yb3+)的光纤激光器,即目前最常见的1μm波长(1.064μm/1.080μm)光纤激光器。2004 年,南安普敦大学的 Jeong 等利用975nm LD 双端泵浦纤芯直径 43μm的双包层掺镱光纤,产生了1.01 kW的1090 nm激光输出,实现了世界上第一个千瓦级光纤激光输出。此后,915nm和975nm泵浦Yb实现1μm波段激光器成为主要的泵浦激光选择。

图1给出了Yb3+离子的吸收截面与辐射截面。在室温下,吸收谱线在850nm~1050nm之间存在着两个吸收峰,分别为915nm和976nm。976nm的吸收峰较高但是很窄,其吸收谱宽约为10nm;而915nm处的吸收峰则比较低和宽,吸收峰的高度大约为976nm 峰值的三分之一,但是吸收谱宽约为50nm,是976nm处吸收谱宽的5倍左右。发射光谱在900nm~1200nm之间也存在两个峰,分别为976nm和1030nm。976nm处的辐射峰峰值较高,辐射谱宽10nm 左右,由三能级跃迁所致;1030nm 处峰值较低,但是辐射谱宽较宽,大于 50nm,由准四能级的跃迁所致。

光纤激光器泵浦光源技术问答

图1  Yb光纤的吸收截面(实线)和发射截面(虚线) 

 

根据上述的图和分析,结合实际的LD激光的发展,基本上Yb3+离子的1um波段的激光器基本都是用915nm 和975nm的LD激光作为泵浦光源。

 

问题2   为什么早期使用915nm泵源较多,目前基本上都使用976nm泵源?

飞博激光高级研发人员答:

常规的LD 输出波长会随着温度的变化出现漂移,温度漂移系数约为0.31nm/℃。根据图1我们可以看出,温度将影响有源光纤的泵浦吸收峰,不仅降低了激光器的效率,而且未吸收的泵浦光还会导致光路中的其他元器件损坏。由于915nm处的吸收谱宽约为50nm,温度对泵浦的吸收影响很小,而温度漂移对976nm影响较大,而早期激光器由于温度控制不精确,因此,尤其是上世纪所生产的光纤激光器中,大多数皆使用915nm的泵源。

光纤吸收泵浦光后直接出光,这种泵浦技术被称为直接泵浦,即由9XX nm波长经过有源光纤后输出1064nm、1070nm、1080nm 等波长的激光。这类泵浦技术已经广泛应用于科研激光器和工业常规激光器。但是,这类泵浦技术存在一定的量子亏损效应,损耗的泵浦会直接产生热量,影响激光器的可靠性和功率的进一步提升。

光纤激光器泵浦光源技术问答


此公式中,光纤激光器泵浦光源技术问答光纤激光器泵浦光源技术问答分别为泵浦光和输出激光的波长。当镱离子吸收975nm 的泵浦光发射1070nm激光时,电子跃迁的量子亏损率约为9%,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%。可见976nm的泵浦在能源的利用率上有较大提升。从工业产品的生产角度来说就是成本的降低。

其次,随着高亮度泵源和水冷机组的发展,高功率激光器基本都采用了水冷散热,在温度控制上更加精准,可防止LD泵源的波长漂移,保证激光器的泵浦吸收效率。目前高功率光纤激光器基本都是采用976nm泵源,在提高激光器效率的同时,有效地降低成本。表1将两种泵源进行比较,在温度控制稳定的基础上,显然976nm的泵源更加有利。

光纤激光器泵浦光源技术问答

表1  915nm泵浦和976nm泵浦比较


问题3   976nm泵浦是一项全新的技术吗?

飞博激光高级研发人员答:

976nm泵浦并不是一项新技术。上世纪六七十年代,915nm和976nm的LD泵源皆用于激光器泵源,到2004年已能够使用976nm的泵源实现千瓦级的激光输出,技术上已十分成熟。国内的绝大部分工业激光器厂家在2012年左右的时候开始采用976nm的LD作为主要的泵浦方式。发展到现在,这一技术已作为常规技术在使用,尤其是针对科研用户这类对激光器有特殊要求的用户群体。目前市售的几百瓦甚至数千瓦锁波长LD可以将温度漂移系数控制在0.01nm/℃以内, 976nm 等波长泵浦已成为冲击高功率激光器不可或缺的器件。同时LD 的输出光纤数值孔径也在不断优化,从之前的0.22提升为目前的0.15,甚至0.13,为合束器有效接收更高功率泵浦光创造了有利的条件,使之可进一步提升激光输出功率。

 

问题4   目前还有其他泵浦光源或者技术可供选择吗?

飞博激光高级研发人员答:

除了泵浦方式的变化(早期单纯正向泵浦发展为反向泵浦、正反向同时泵浦、915nm和976nm双波长混合泵浦、侧边泵浦等),泵浦本身在技术上也有发展和进步:采用 976nm 泵浦输出孔径数值在0.07左右的有源光纤,使之发射高亮度1018nm激光,再用此1018nm激光作为泵浦光输出1064nm、1070nm 及1080nm等波长的激光,并称之为同带泵浦,可以有效减少量子亏损所带来的热效应,目前对该技术掌握比较好的是IPG公司,已经将其应用在实际的工业产品中。国内科研院所和高校也做了大量同带泵浦相关研究,但目前国内工业激光器厂家暂时还没有将此作为主流技术使用和推广。






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