光纤激光器泵浦光源技术问答

日期: 2020-03-11
浏览次数: 635
SHARE:

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。






RELATED NEWS RECOMMEND 推荐新闻 More
2022 - 03 - 08
点击次数: 211
背景“人与自然需要和谐共存;我们只有一个地球,同在一片蓝天下,让我们采取新行动保护和净化我们的地球”。随着全球各国环保意识的加强,以及石油、天然气等不可再生资源的日益减少,再加上人均汽车拥有量日益增加,对环保和不可再生资源产生极大的挑战;寻求新能源是全球共同迫不及待的追求。近些年来科学技术不断进步和发展,全球各国环保意识不断增强,绿色低碳出行的号召带动了不少新兴企业的快速发展,新能源汽车便诞生了。新能源汽车浪潮在全球开始盛行,动力电池作为新能源汽车核心部件,直接决定了整车性能,而生产设备的精度和自动化水平将直接影响电池的质量、效率和一致性。激光技术作为一种先进的加工技术,是高性能动力电池生产的最佳选择。( 数据来源:中国产业研究院)动力电池焊接质量的好坏直接决定了电池的连接性能、安全性和使用寿命。激光焊接相较于传统焊接工艺来说,更适合动力电池的焊接。激光焊接具有能量密度高,焊接速...
2020 - 11 - 25
点击次数: 248
小雪节气过后,天气愈发寒冷,低温、大风天较多,尤其是北方地区,今年更是早早迎来降温和雨雪。在冬日极低的温度条件下,激光器的防冻维护更要上心:当环境温度降至冰点以下时,激光器中的冷却液会由液态变为固态,体积也会增大并可能涨破水管。而一旦内部器件被涨裂,激光器则可能面临返厂维修的窘境,给用户带来较大的经济损失。                             要如何做才能防止激光器出现上述问题呢?别着急,飞博激光教你防治办法!方法一:保证水冷机与激光器的信号连锁处于生效状态,以防水冷机出现故障时影响到激光器的核心部件。方法二:不关水冷机,尤其在夜晚,请保证水冷机不停机,同时将水温设置在5~10℃之间,保证冷却液正常流动且温度在冰...
2019 - 12 - 19
点击次数: 421
激光深熔焊接作为激光焊接的两种基本模式之一(另一为热传导焊接),其应用越来越广泛。为了获得更高的激光深熔焊接效益,飞博激光特为各位焊接用户总结了此种焊接方式的主要影响因素,包括激光功率密度,焊接速度,焦点位置,保护气体,工件接头装配间隙,材料本性等各个方面,助力各家用户趋利避害,最大限度利用好激光器及激光设备。 1. 激光功率密度1)进行深熔焊接的前提是聚焦激光光斑有足够高的功率密度,因此激光功率密度对焊缝成形有决定性的影响。激光功率同时控制熔透深度与焊接速度,对一定直径的激光束,当增大激光功率时,熔深加深,焊接速度加快。2) 对达到一定焊接熔深的激光功率一般存在临界值,达到这个临界值时,熔池剧烈沸腾,超过时则熔深会急剧减少。另外,由于金属蒸气的作用力,熔池内会形成小孔,而小孔正是深熔焊接实现的关键。3) 焦斑功率密度不仅与激光功率成正比,还与激光束...
2019 - 11 - 29
点击次数: 660
作为中高功率光纤激光器的使用“搭档”,水冷机在激光系统运行过程中可以起到良好的降温作用,以防激光器内部过热烧坏元器件给激光器终端使用厂家带来不便和损失。但是,若水冷机使用不当,同样会引起激光器故障,影响厂家的使用和收益。飞博激光为各位终端使用厂家总结了如下水冷机的使用注意事项,请各位按下文指示正确使用水冷机。1. 冷却水可使用去离子水、蒸馏水,冷却水更换周期为30天以内,滤芯更换周期为90天以内。冷却水一定要干净,如果水中有杂质可能会沉积在水冷板中,造成散热不良。2. 因激光器和输出头对水温要求不同,推荐使用双温双控的水冷机为激光器和输出头提供制冷。给激光器制冷的水路温度设置安装激光器使用手册规定设置;给输出头的水路温度设置为当天工作环境气温的最大值。3. 对于环境温度低于0℃的情况,推荐使用带加热功能的水冷机,且水冷机一直保持开机工作状态;水冷机停机不用时,...
  • 姓名:
  • *
  • 邮箱:
  • *
  • 电话:
  • *
  • 详细说明:
  • *
     
上海飞博激光科技股份有限公司
电话: 021-59962338
传真: 021-59960273
地址:上海市嘉定区招贤路655号
Copyright ©2019 - 2024 上海飞博激光科技股份有限公司


犀牛云提供企业云服务