高功率脉冲光纤激光器的系列关键技术及其设备研究可行性报告

2009年度浙江省科技计划重大科技专项项目项目可

行性报告及经费概算

重大科技专项名称:重大应用电子技术和新型电子元器件

(一)光电子集成器件的研发

项目名称:高功率脉冲光纤激光器的系列关键技术及其设备研究

申请日期:2008年05月

一、项目可行性报告

(一)立项的背景和意义。

激光技术的发展自20世纪六十年代激光问世以来,已经极大地改变了现代人的思想观念和生活质量。大功率的光纤激光作为一种特殊的光源,近几年来其发展势头之猛,已经远远超出人们当初的想象。本项目将针对高功率脉冲光纤激光器在二个主要方面的应用,即作为精密微加工应用的激光光源和激光频率变换系统的泵浦光源开展工作,研制高品质的高功率脉冲光纤激光器,特别是线偏振输出的高功率脉冲光纤激光器。

随着科学的发展和社会的进步,高效、环保、精密的绿色加工正在从概念走向现实。作为一种蓬勃发展的高新技术,激光加工技术近年来已经在各方面显示绿色加工特有的优势,如采用高功率二氧化碳激光器的金属切割、焊接,采用高功率Nd:YAG激光器的钻孔、刻划、打标等等,都在所应用领域极大地提高了生产效率和产品的质量,降低了工作强度,减少了环境污染。典型的如,大家非常熟悉的原先采用传统手工刻制的公司和私人印章,其加工工艺已经毫无例外地被激光雕刻机加工所取代,其加工的时间也从原来的几天缩短到目前的不到半小时。国际上一些著名的飞机和汽车生产企业,如波音、空客、大众、奔驰等公司都已经在生产中引入了激光加工生产线,作为典型例子,空客公司的正在试飞、即将投入正式运营的空客

A380,正是由于其有效地采用了激光加工技术,提高了加工的精度,因此才能在进一步提高飞机机械强度的同时,大幅度地减少飞机本身的重量,从而为大幅度提高载客量奠定了基础。因为机体体积的显著增大,毫无疑问将使得对机身强度和重量的要求大幅度提高,很难想象,如果没有激光加工技术的广泛应用,空客A380能否实现从原来的载客300人左右提高到目前的580人。

与一般传统的加工用高功率激光器相比,近二年在国际上突飞猛进的光纤激光器具有独特的优点。由于单模光纤独特的光束限制作用,使得光纤激光的光束质量并不会由于激光功率的增加而降低,光纤本身特有的大表面积,又使得严重影响常规固体激光器光束质量的热畸变问题在光纤激光器中也不再是一个问题。非常清楚的是,光束质量的提高,使得激光能被光学系统聚焦到接近于衍射极限的极小斑点内,这使得高质量的精密加工成为可能。由于热控问题的简化,

高功率的光纤激光器在结构上可以得到很大的简化,整体成本大幅降低,这为光纤激光器进入实际生产过程创造了非常有利的条件。举个典型的例子,如果采用常规的Nd:YAG或Nd:YVO4激光器,60W的单横模输出,光束质量因子(M2)小于1.2,价格约为300万人民币,而采用光纤激光器,同样的技术指标,市场售价不到70万。同样,对于20W的高光束质量的固体激光器,价格不会低于35万人民币(此时,较低的价格只能保证光束质量在低于10W时接近单模),而同样功率的光纤激光器的价格低于10万人民币。正因为如此,高的性价比使得光纤激光在绝大多数的领域正在取代传统的常规灯泵和半导体泵浦的固体激光器。

长期以来,高功率的脉冲紫外激光器是精密激光微加工的首选光源。紫外激光加工相对应的激光处理表面可以具有特殊的完整性与光滑度,这主要源于紫外激光在与物质作用中,其过程是直接将分子撕裂、而并非依赖热作用。传统的灯泵或半导体泵浦的固体激光器,为实现高功率的优质基频光输出,需要极为复杂的热耗控制和热透镜畸变补偿系统,这使得整个激光器在结构上相当复杂,稳定性也成为问题。大功率的紫外激光器因此价格昂贵,这也制约了其在各个领域的广泛应用。若能采

用高功率的脉冲光纤激光器作为泵源,上述的紫外激光实现起来就要容易得多,其应用得前景极其广大。

浙江省作为制造业的大省,国有和民营的制造企业数量众多,尤其在浙江的温州、台州和金华,民营的制造企业已经成为当地经济的支柱。这些企业目前普遍存在的问题是,技术含量相对较低,产品的利润率较低,很多企业的产品属于出口导向型。随着人民币汇率的不断提高和国外技术壁垒的限制增多,企业的生存危机已经开始显现。采用高新技术,提高生产效率,降低生产成本是这些企业发展的必然选择。只有这样,浙江省才能从制造业的大省向制造业的强省迈进。其中,采用最新的激光加工技术提升加工制造业将是一种非常明智的选择。

本项目正是针对上述的背景情况,并根据自身的研究条件和工作基础,结合相关企业的研究力量和生产条件,将重点研究实用化高功率脉冲光纤激光器的系列关键技术,并在此基础上,研制可商品化的高功率脉冲光纤激光器,特别是线偏振输出的高功率脉冲光纤激光器,并直接应用于激光光频转换系统,如紫外激光产生和中红外激光产生中,形成直接的社会和经济效益。

(二)国内外研究现状和发展趋势

近年来,随着光纤激光器的迅猛发展,其在加工业中的应用研究在国际上一些最为知名的研究单位中已经开始,如英国南安普敦大学光电子研究中心(ORC)与英国剑桥大学激光加工中心联合承担的HEGAC项目,集中研究激光的脉冲形状、峰值功率、光斑形状对加工的各种影响及相应的最佳参数条件;美国的IPG 公司所生产的各类光纤激光器已经开始形成商品化的产品;英国的Infinium公司生产的大功率皮秒和亚皮秒的光纤激光器在各种应用领域也开始得到较为广泛的承认。

但是,非常清楚的是,光纤激光器离真正进入广泛的应用、能完全取代传统的固体激光器还有一定的距离,这主要是高功率脉冲光纤激光器的研制目前尚存在一些关键的技术问题迫切需要解决。相比于技术上较为简单的高功率连续激光器,高功率的脉冲光纤激光器可以具有高得多的峰值功率,其加工效果要好得多,因此成为

研究的主流。但是,其技术难度也大得多。首先,高功率光纤激光器的脉冲工作的控制问题,这是影响加工效率的最为重要的因素。由于光纤激光器一般采用较长的光纤,因此也就具有较大的腔长,这使得采用常规的调Q技术很难获得较短的脉冲宽度,因此影响输出激光的峰值功率,并进而影响加工效果;其次,光纤中非线性光学现象的克服问题,特别是受激喇曼效应和受激布里渊效应的抑止问题。这类非线性光学现象是导致光纤损坏的重要原因;再其次是光纤与空气界面的保护问题,前期的实验研究已经表明,光纤与空气的界面层是损伤阈值最低的部分,如何有效地保护光纤的端面是保证高功率的光纤激光器长期稳定工作的重要因素;此外,增益光纤的衰退问题,也即常称为光致黑效应(Photodarkening)的解决,也是影响光纤激光长期稳定工作的重要因素;最后,是光纤激光器的全光纤化问题,由于全光纤化的光纤激光器对外界因素,如振动、温飘等因素的影响的不敏感性,将使得光纤激光器能真正地在各种复杂环境的应用场合大显身手。

高功率光纤激光器的研究工作,近几年在国内若干单位也已经得到很好的开展,目前工作主要集中于高功率的连续工作的光纤激光器,中科院上海光机所、中电集团11所、清华大学、兵器工业总公司等相关单位在实验室中已经演示了超过或接近1000瓦的单纤激光功率输出,但一般仅限于在实验平台上的短期激

光演示,距离实用化的全光纤激光器尚有较大距离,对具有更大应用前景的高

功率脉冲光纤激光器的研制则刚刚开始,与国外光纤激光器的领军单位如美国的IPG公司、英国南安普顿大学光电子研究中心、德国Jana的激光研究所等单位相

比尚有较大距离。

本项目的研究工作的主要目的,正是从高精度激光加工的要求出发,深入地探

讨和分析上述加工用高功率脉冲光纤激光器所必须解决的各类关键技术问题,并深入地研究相应的技术手段予以解决,使得能通过较短时间的研究,能完全满足实际加工工艺的要求,研制成功实用化的高功率脉冲光纤激光器,促进我国、特别是浙江省的相应产业的发展。

(三)项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点。

本项目的主要研究内容为:通过研究掌握实用化、高功率脉冲光纤激光器研制过程中的系列关键技术,研制高性能的高功率脉冲光纤激光器,特别是线偏振输出的、全光纤化的高功率脉冲光纤激光器。

本项目具体的研究内容和相应的技术关键阐述如下:

内容1、高功率光纤激光器的脉冲控制关键技术

光纤激光器的激光脉宽和峰值功率水平是影响加工质量和加工效率的最为重要的因素。由于光纤激光器一般采用较长的光纤,因此腔长也就较大,这使得采用常规的调Q技术很难获得较短的脉冲宽度,因此影响输出激光的峰值功率,并进而影响加工效果。

技术关键:拟采用主振-放大结构的光纤激光器方案,利用短脉冲工作的小功率种子光纤激光器作为信号源,采用多级放大的技术原理,实现短脉冲、高功率的激光输出。将就最佳的参数条件的获得开展深入的基础研究。

内容2、高功率光纤激光器中非线性光学现象的消除技术

由于光纤激光器长度较大,非线性阈值较低,容易产生受激喇曼散射和受激布里渊散射,这类非线性光学现象是导致光纤激光器损坏的重要原因。