在(zai)光(guang)纖纖芯(xin)(xin)中摻入稀(xi)土(tu)(tu)離子(zi)(zi)(zi)(zi),泵浦(pu)光(guang)通(tong)過光(guang)纖時,纖芯(xin)(xin)中的(de)(de)(de)稀(xi)土(tu)(tu)離子(zi)(zi)(zi)(zi)吸(xi)收泵浦(pu)光(guang),躍遷(qian)到(dao)激(ji)光(guang)上(shang)能級,產生粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)數反轉(zhuan)。反轉(zhuan)后的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)自發輻(fu)(fu)射(she)(she)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)或者特別注入的(de)(de)(de)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)誘導(dao)下以受激(ji)輻(fu)(fu)射(she)(she)躍遷(qian)到(dao)激(ji)光(guang)下能級,同(tong)時發射(she)(she)出(chu)(chu)與誘導(dao)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi),這(zhe)樣的(de)(de)(de)過程雪崩(beng)般(ban)發生,于是(shi)發射(she)(she)出(chu)(chu)激(ji)光(guang)。這(zhe)就是(shi)光(guang)纖激(ji)光(guang)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)基本原(yuan)理。選擇在(zai)光(guang)纖中摻稀(xi)土(tu)(tu)離子(zi)(zi)(zi)(zi)構成(cheng)光(guang)纖激(ji)光(guang)器(qi)(qi)(qi),部分原(yuan)因(yin)就是(shi)稀(xi)土(tu)(tu)離子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)吸(xi)收范圍(wei)正好與半導(dao)體激(ji)光(guang)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)輻(fu)(fu)射(she)(she)范圍(wei)重合(he),因(yin)而能方便地采用成(cheng)本低廉的(de)(de)(de)、工藝較為成(cheng)熟(shu)的(de)(de)(de)半導(dao)體激(ji)光(guang)器(qi)(qi)(qi)作為泵浦(pu)光(guang)源。
光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)基本結構(gou)由增益(yi)(yi)介(jie)質、諧振(zhen)(zhen)(zhen)腔(qiang)(qiang)(qiang)與泵(beng)浦源組(zu)成(cheng)。增益(yi)(yi)介(jie)質為(wei)摻有稀土(tu)離子的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)芯,摻雜(za)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)放置在兩(liang)個反射(she)率經過(guo)選擇的(de)(de)腔(qiang)(qiang)(qiang)鏡之間,泵(beng)浦光(guang)(guang)(guang)(guang)從光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)切割(ge)機(ji)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)左邊(bian)腔(qiang)(qiang)(qiang)鏡耦合進入(ru)(ru)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian),經準直光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)系統和濾(lv)波(bo)器(qi)得(de)到(dao)輸出激光(guang)(guang)(guang)(guang)。從理論(lun)上(shang)來說,只有泵(beng)浦源和增益(yi)(yi)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)是構(gou)成(cheng)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)必(bi)須組(zu)件,而諧振(zhen)(zhen)(zhen)腔(qiang)(qiang)(qiang)并非必(bi)不可(ke)缺的(de)(de)組(zu)件。諧振(zhen)(zhen)(zhen)腔(qiang)(qiang)(qiang)的(de)(de)選模和增加增益(yi)(yi)介(jie)質長(chang)(chang)度的(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)在激光(guang)(guang)(guang)(guang)切割(ge)機(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)中是可(ke)以不用(yong)(yong)的(de)(de),因長(chang)(chang)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)本身(shen)可(ke)以非常長(chang)(chang) ,從而獲得(de)很(hen)高(gao)的(de)(de)單程增益(yi)(yi),而光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)波(bo)導(dao)效應又可(ke)以起到(dao)選模的(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)。但實際(ji)應用(yong)(yong)中人們一般希望使用(yong)(yong)較(jiao)短光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian),所以多(duo)數情況(kuang)下采用(yong)(yong)諧振(zhen)(zhen)(zhen)腔(qiang)(qiang)(qiang),以引入(ru)(ru)反饋。
光纖激光器的優點
與(yu)傳統的氣(qi)體激(ji)光(guang)(guang)器和(he)固體激(ji)光(guang)(guang)器相比,以(yi)摻(chan)雜光(guang)(guang)纖(xian)為工作介(jie)質的光(guang)(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)(guang)器具有以(yi)下優點:
①增益介質的表面積(ji)/體(ti)積(ji)比大
光(guang)纖(xian)(xian)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)(qi)采用光(guang)纖(xian)(xian)做增(zeng)益(yi)(yi)介(jie)質,具有很大的(de)表面積/體積比,這使(shi)其具有非常好的(de)散熱(re)(re)性能(neng),因(yin)此,即使(shi)非常高(gao)功率的(de)光(guang)纖(xian)(xian)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)(qi),增(zeng)益(yi)(yi)介(jie)質也不會受到熱(re)(re)損害(hai),一般無(wu)需(xu)對增(zeng)益(yi)(yi)介(jie)質采取特(te)別(bie)的(de)散熱(re)(re)措施,而其他種類的(de)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)(qi),增(zeng)益(yi)(yi)介(jie)質的(de)散熱(re)(re)問題是需(xu)要重點考慮的(de),因(yin)此,該(gai)特(te)點是光(guang)纖(xian)(xian)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)(qi)多獨有的(de)。
②優異的雙波導限制機(ji)制
高功率(lv)全光(guang)(guang)(guang)纖激(ji)光(guang)(guang)(guang)器采用(yong)雙(shuang)(shuang)包(bao)(bao)層有(you)源光(guang)(guang)(guang)纖,這種雙(shuang)(shuang)層光(guang)(guang)(guang)纖是一(yi)種雙(shuang)(shuang)波(bo)導(dao)結(jie)構,高功率(lv)的(de)(de)(de)多模(mo)泵浦光(guang)(guang)(guang)被限(xian)制在直(zhi)徑(jing)較大的(de)(de)(de)內(nei)包(bao)(bao)層中傳輸,為(wei)采用(yong)高功率(lv)廉價(jia)的(de)(de)(de)多模(mo)泵浦光(guang)(guang)(guang)提(ti)供(gong)了條(tiao)件(jian),信(xin)號激(ji)光(guang)(guang)(guang)在直(zhi)徑(jing)很小(xiao)的(de)(de)(de)具(ju)有(you)圓對稱波(bo)導(dao)結(jie)構的(de)(de)(de)纖芯中產生和傳輸,在小(xiao)芯徑(jing)纖芯波(bo)導(dao)的(de)(de)(de)限(xian)制下,信(xin)號激(ji)光(guang)(guang)(guang)可獲得理想(xiang)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)束(shu)質(zhi)量(liang)和極小(xiao)的(de)(de)(de)出(chu)(chu)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)直(zhi)徑(jing),這是全光(guang)(guang)(guang)纖激(ji)光(guang)(guang)(guang)器獨(du)具(ju)吸引力(li)的(de)(de)(de)重要(yao)(yao)特(te)點(dian),在高功率(lv)激(ji)光(guang)(guang)(guang)器中,目前還沒有(you)一(yi)種激(ji)光(guang)(guang)(guang)器能夠(gou)超(chao)越。優(you)異的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)束(shu)質(zhi)量(liang)和極小(xiao)的(de)(de)(de)出(chu)(chu)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)直(zhi)徑(jing)在激(ji)光(guang)(guang)(guang)應(ying)用(yong)中具(ju)有(you)非常重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)意義,可使后續(xu)應(ying)用(yong)設備的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)學系統更(geng)簡單,體積更(geng)小(xiao),工(gong)(gong)作(zuo)距離更(geng)長,激(ji)光(guang)(guang)(guang)聚焦光(guang)(guang)(guang)斑(ban)更(geng)小(xiao),工(gong)(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)更(geng)高,加(jia)工(gong)(gong)深度更(geng)深,加(jia)工(gong)(gong)質(zhi)量(liang)更(geng)好等等。
③固有的全封閉柔性光(guang)路(lu)
全(quan)(quan)(quan)光(guang)(guang)纖(xian)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器的(de)光(guang)(guang)路全(quan)(quan)(quan)部由(you)光(guang)(guang)纖(xian)和(he)光(guang)(guang)纖(xian)元件構成,光(guang)(guang)纖(xian)和(he)光(guang)(guang)纖(xian)元件之間采用(yong)(yong)光(guang)(guang)纖(xian)熔接技術(shu)連(lian)接,整個光(guang)(guang)路完全(quan)(quan)(quan)封閉在光(guang)(guang)纖(xian)波導(dao)中(zhong)。這(zhe)種天然的(de)全(quan)(quan)(quan)封閉性(xing)光(guang)(guang)路一旦形成,無需另加隔離(li)(li)措施即可(ke)(ke)自成體系,實現與外界(jie)環(huan)境(jing)(jing)的(de)隔離(li)(li)。由(you)于光(guang)(guang)纖(xian)細(xi)(xi)小并(bing)具有(you)很(hen)(hen)好的(de)柔性(xing),光(guang)(guang)路可(ke)(ke)盤繞和(he)沿細(xi)(xi)小的(de)管道穿(chuan)行(xing),因此,全(quan)(quan)(quan)光(guang)(guang)纖(xian)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器能夠在比(bi)較(jiao)(jiao)惡劣的(de)環(huan)境(jing)(jing)下工(gong)(gong)作(zuo),輸出(chu)光(guang)(guang)可(ke)(ke)穿(chuan)過狹小的(de)縫隙或沿細(xi)(xi)小的(de)管道進行(xing)遠(yuan)距離(li)(li)傳輸。這(zhe)些特(te)點(dian)在工(gong)(gong)業應用(yong)(yong)中(zhong)優勢巨大,激(ji)(ji)光(guang)(guang)不但能適應比(bi)較(jiao)(jiao)惡劣的(de)工(gong)(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)(jing),而且可(ke)(ke)以使(shi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器原(yuan)理出(chu)光(guang)(guang)點(dian),可(ke)(ke)將激(ji)(ji)光(guang)(guang)引入(ru)到以前很(hen)(hen)難到達的(de)地(di)方,可(ke)(ke)非常容易(yi)移動和(he)改變出(chu)光(guang)(guang)點(dian),實現加工(gong)(gong)點(dian)公用(yong)(yong)一臺激(ji)(ji)光(guang)(guang)器,可(ke)(ke)使(shi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)加工(gong)(gong)設(she)備的(de)設(she)計具有(you)更高的(de)靈活性(xing)等等。
④光路具有(you)免維(wei)護性(xing)
如前所述,全光(guang)(guang)纖(xian)(xian)激光(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)關谷(gu)全部由光(guang)(guang)纖(xian)(xian)和(he)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)元(yuan)件構(gou)成(cheng)(cheng),光(guang)(guang)纖(xian)(xian)和(he)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)元(yuan)件之間采用光(guang)(guang)纖(xian)(xian)熔接(jie)(jie)技(ji)術連接(jie)(jie),因(yin)此,光(guang)(guang)路一(yi)旦完(wan)成(cheng)(cheng),即形(xing)成(cheng)(cheng)一(yi)個(ge)整體,實踐證(zheng)明,這(zhe)樣形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)鏈接(jie)(jie)結構(gou)和(he)連接(jie)(jie)參數將(jiang)(jiang)長(chang)期保(bao)持穩定,如果光(guang)(guang)纖(xian)(xian)和(he)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)元(yuan)件本身(shen)能(neng)有長(chang)期穩定性(xing),整個(ge)光(guang)(guang)路將(jiang)(jiang)長(chang)期穩定,無需(xu)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)護(hu)。需(xu)要特(te)別指出的(de)(de)是,這(zhe)種免維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)護(hu)的(de)(de)特(te)性(xing)并非不可(ke)(ke)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)護(hu)和(he)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)修(xiu)(xiu),在(zai)需(xu)要的(de)(de)情(qing)況下,整個(ge)光(guang)(guang)路的(de)(de)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)護(hu)和(he)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)修(xiu)(xiu)同樣可(ke)(ke)以進行,因(yin)此,與(yu)氣(qi)體和(he)固體激光(guang)(guang)器(qi)需(xu)要頻繁的(de)(de)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)護(hu)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)修(xiu)(xiu)相比,全光(guang)(guang)纖(xian)(xian)激光(guang)(guang)器(qi)光(guang)(guang)路的(de)(de)免維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)護(hu)特(te)性(xing)異(yi)常優(you)異(yi),而(er)與(yu)半導(dao)體激光(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)不可(ke)(ke)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)修(xiu)(xiu)性(xing)相比,全光(guang)(guang)纖(xian)(xian)激光(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)可(ke)(ke)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)護(hu)性(xing)和(he)可(ke)(ke)維(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)修(xiu)(xiu)性(xing)表現出明顯的(de)(de)優(you)勢。
⑤壽命長
全(quan)(quan)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)路具(ju)有(you)長期穩定性,因(yin)此(ci),需要與之(zhi)匹配的(de)(de)長壽(shou)命(ming)(ming)(ming)泵(beng)(beng)(beng)浦(pu)(pu)(pu)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器才能(neng)獲得(de)整機的(de)(de)長壽(shou)命(ming)(ming)(ming)。發(fa)(fa)(fa)展低價(jia)格的(de)(de)長壽(shou)命(ming)(ming)(ming)多(duo)模泵(beng)(beng)(beng)浦(pu)(pu)(pu)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器使發(fa)(fa)(fa)展長壽(shou)命(ming)(ming)(ming)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)重點。單(dan)條(tiao)(tiao)寬(kuan)發(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)區(qu)(qu)(qu)多(duo)模泵(beng)(beng)(beng)浦(pu)(pu)(pu)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器就是(shi)這樣(yang)一種長壽(shou)命(ming)(ming)(ming)半(ban)導(dao)(dao)體(ti)泵(beng)(beng)(beng)浦(pu)(pu)(pu)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器,其(qi)(qi)條(tiao)(tiao)寬(kuan)一般取100mm,基(ji)本(ben)上已經(jing)接近(jin)105/125多(duo)模光(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)纖(xian)芯直徑(jing),其(qi)(qi)有(you)源(yuan)區(qu)(qu)(qu)條(tiao)(tiao)寬(kuan)是(shi)列(lie)陣(zhen)半(ban)導(dao)(dao)體(ti)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)幾(ji)十(shi)倍(bei),對(dui)單(dan)一發(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)條(tiao)(tiao)來說,同樣(yang)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)(lv)和同樣(yang)注入電流情況下,其(qi)(qi)光(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)(lv)密(mi)度和電流密(mi)度將降低幾(ji)十(shi)倍(bei),有(you)源(yuan)區(qu)(qu)(qu)溫度也(ye)會有(you)所(suo)降低,在(zai)忽略其(qi)(qi)他(ta)因(yin)素的(de)(de)前提(ti)下,單(dan)條(tiao)(tiao)寬(kuan)發(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)區(qu)(qu)(qu)半(ban)導(dao)(dao)體(ti)泵(beng)(beng)(beng)浦(pu)(pu)(pu)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器降低失效率(lv)(lv)的(de)(de)作用(yong)是(shi)異常(chang)顯(xian)著的(de)(de)。目(mu)前尾纖(xian)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)(lv)大于(yu)5W的(de)(de)單(dan)條(tiao)(tiao)寬(kuan)發(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)區(qu)(qu)(qu)半(ban)導(dao)(dao)體(ti)泵(beng)(beng)(beng)浦(pu)(pu)(pu)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)平均無故障(zhang)工作時(shi)(shi)間已經(jing)達(da)到50萬小(xiao)時(shi)(shi)以上。采用(yong)單(dan)條(tiao)(tiao)寬(kuan)發(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)區(qu)(qu)(qu)半(ban)導(dao)(dao)體(ti)泵(beng)(beng)(beng)浦(pu)(pu)(pu)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器作為光(guang)(guang)(guang)線(xian)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)泵(beng)(beng)(beng)浦(pu)(pu)(pu)源(yuan),全(quan)(quan)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器將具(ju)備長壽(shou)命(ming)(ming)(ming)的(de)(de)特(te)點,因(yin)此(ci),制作具(ju)有(you)幾(ji)十(shi)萬小(xiao)時(shi)(shi)得(de)長壽(shou)命(ming)(ming)(ming)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器在(zai)技術上已經(jing)可行(xing)。
⑥體積(ji)小重(zhong)量(liang)輕(qing)
全(quan)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖激光(guang)(guang)(guang)(guang)器由于光(guang)(guang)(guang)(guang)路可(ke)盤(pan)繞,光(guang)(guang)(guang)(guang)路占用(yong)空間較(jiao)小,在(zai)采(cai)用(yong)單條(tiao)寬發光(guang)(guang)(guang)(guang)區半導體(ti)泵浦激光(guang)(guang)(guang)(guang)器做泵浦源(yuan)的情(qing)況(kuang)下,泵浦激光(guang)(guang)(guang)(guang)器可(ke)分散安裝,具有很好的散熱特性,在(zai)安裝密度不高的情(qing)況(kuang)下,采(cai)用(yong)冷(leng)即可(ke),在(zai)安裝密度較(jiao)高的情(qing)況(kuang)下,只(zhi)需少量(liang)通水即可(ke)滿足(zu)散熱要(yao)求,因此,全(quan)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖激光(guang)(guang)(guang)(guang)器的體(ti)積比同樣輸出功率的氣體(ti)和固體(ti)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器系統更(geng)小,重(zhong)量(liang)更(geng)輕。