长飞特种光纤系列之九--光纤激光器高功率有源光纤

3/19/2019,高功率光纤激光技术是近年来激光技术领域炙手可热的研究方向之一，已在工业制造、医疗、能源勘探、军事国防等领域获得了广泛应用。在高功率切割和焊接应用方面，光纤激光器已经从高功率CO2激光器和固体激光器手中抢占了大量市场份额，随着我国汽车行业轻量化的推进和复合材料加工市场的应用拓展，高功率光纤激光器具有愈加蓬勃发展前景。
   
   在千瓦级光纤激光器系统中，高功率泵浦源、作为增益介质的掺镱光纤、各种光器件以及用作光器件尾纤的无源光纤都是关键原材料。近年来，国内企业自主封装的泵浦源和各种光器件在光纤激光领域逐步实现了国产化，但是用于高功率激光的掺镱光纤仍被国外的供应商占据绝对份额，且价格昂贵。
客观来讲，中高功率掺镱光纤对光纤的性能指标、长期可靠性、稳定量产等提出了更为严格的要求，具有很高的技术门槛，国内技术与国外相比，还是存在着差距，需要加快研发进度，迎头赶上。因此，作为高功率光纤激光器的核心原材料，掺镱光纤   实现国产化仍然是光纤激光器国产化的重中之重。
经过5年的技术沉淀、平台建设、产品系列化研发改进，长飞公司目前已经推出了应用于1000~1500W连续高功率光纤激光器的双包层14/250掺镱光纤，以及应用于1500~2000W连续高功率激光器的双包层20/400掺镱光纤。

1.技术指标
   长飞公司所开发的光纤具有较高的光-光(泵浦光-激光)转换效率、高的涂层可靠性和强抗光子暗化能力。基于MCVD+CDS(螯合物气相沉积法)技术和三元掺杂体系的设计，通过对光纤的波导结构、掺杂配方和制备工艺进行不断优化，技术指标达到了如表1所示的水平：



2.转换效率与光子暗化
   众所周知，中高功率连续光纤激光器的制造成本主要来源于大功率泵源，因此整机系统的热管理尤为重要，掺镱光纤需要有高的转换效率，才能提高泵源的利用率；同时高的转换效率可以降低光纤发热量，大大减缓由于发热导致的光纤涂层老化，因此延续整机的使用寿命，保证长时间的稳定工作。


 
   我们对长飞14/250双包层掺镱光纤和20/400双包层光纤按照图1所示的平台进行了激光性能测试。在图1中多路915nm的泵浦光通过合束器耦合进入掺镱光纤，利用1080nm的光栅对提供谐振反馈，CPS对未吸收的泵浦光进行剥离，在此结构下测试结果如下：


 
   如图2所示，14/250DC YDF和20/400DC YDF光-光转换效率均达到了67%以上，并且随着泵浦功率的增加，光-光转换效率还会继续增加。
   为验证长飞公司有源光纤的稳定性，测试人员增加了一组1400W的稳定性测试实验。结果显示，双包层20/400掺镱光纤1小时内功率波动值在0.21%，如图3所示。
 


3.非线性效应
高功率工作状态下的非线性效应也至关重要，长飞双包层14/250掺镱光纤在过千瓦输出的情况下拉曼次峰所占的功率比值非常低——拉曼峰与主峰功率差为近50dB。
长飞公司着眼未来高功率光纤激光器市场，基于对光纤激光器及其应用的深刻理解，充分利用长飞公司特种光纤的研发生产平台、技术能力与悠久的工艺沉淀，努力为行业提供国产化的优质特种光纤！