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激光焊接机的核心部件光纤激光器分类及波导原理

文章来源:深圳市晨皓达科技有限公司    时间:2022-05-10 11:19:27
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一、光纤激光器的分类


光纤激光器就是采用光纤作为激光介质的激光器。按照激励机制可分为以下四类。


①稀土掺杂光纤激光器,通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子获得所需波段的激光输出。

②利用光纤的非线性效应制作的光纤激光器,如受激拉曼散射(SRS) 等。

③单晶光纤激光器,其中有红宝石单晶光纤激光器、Nd:YAG单晶光纤激光器等。

④染料光纤激光器,通过在塑料纤芯或包层中充人染料,实现激光输出。

在这几类光纤激光器中,以掺稀土离子的光纤激光器和放大器最为重要,且发展最快,已在光纤通信、光纤传感、激光材料处理等领域获得了应用,通常说的光纤激光器多指这类激光器。


光纤激光器


二、光纤激光器的波导原理


单层光纤激光器的几何结构如图2.14所示。与固体激光器相比,光纤激光器在激光谐振腔中至少有一个自由光束路径形成,光束形成和导人光纤激光器是在光波导中实现的。通常,这些光波导是基于掺稀土的光电介质材料,例如用硅、磷酸盐玻璃和氟化物玻璃材料,显示在减度约为10dB/km,比固态激光品体少几个数量级。和晶体状的固态材料相比, 稀土离子吸收波段和发射波段显示光谐加宽,这是由于玻璃基块的相互作用破小了频率稳定性和泵浦光源所需的宽度。因此,光纤激光器要选择波长合适的激光二极管泵浦源。




光纤含有一个折射率为n1的掺稀土激活核,通常被一层 纯硅玻璃包层包围,包层折射率n2<n1,所以,基于在芯和包层交接表面内部的全反射,波导产生于芯层。对于泵浦辐射和产生的激光辐射,光纤激光器的芯层既是激活介质又是波导。整个光纤被聚合物外层护免受外部影响。光纤激光器的光束质量由给定的波导折射率的光学特征决定,如果光纤芯层满足无量纲参数V的条件:



式中,a为芯层半径: λ是激光辐射波长,NA是数值孔径。只有基横模可以通过光纤传播。对于光纤激光器来说,当用于多模或单模光纤条件时,芯径通常为3~8μm。 当多模光纤用于大芯径条件时,能产生高阶横模。数值孔径NA决定了光纤轴心和辐射耦合进光纤所成角度的正弦值。模式数Z (根据公式Z = V2/2),近似于大数值的光纤参数V。为减少涂层中的光学扩散,涂层必须有更高的折射率(n3>n2)


对于光学激发光纤激光器,泵浦辐射通过光纤表面耦合到激光器芯层。然而,如果是轴向泵浦,泵浦辐射必须耦合到只有几个微米的波导中。因此,必须采用高透明泵浦辐射源激发多模光纤,目前辐射源的输出功率限制到1W左右。为了按比例放大泵浦功率,需要大孔径光纤与大功率半导体激光器阵列的光束参数相匹配。然而,增大的光纤激活芯层允许更高的横模振荡,会导致光束质量降低。目前采用双包层设计,即采用隔离芯层来泵浦和发射激光,可获得良好的效果。

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