長(zhǎng)飛特種光纖系列之一-光纖激光器中的雙包層摻鐿光纖

  ICCSZ訊  得益于材料加工行業(yè)的快速發(fā)展及逐漸成熟，工業(yè)激光器在全球激光器市場(chǎng)份額持續(xù)增長(zhǎng)，其中光纖激光器表現(xiàn)尤為亮眼，國(guó)內(nèi)光纖激光器市場(chǎng)增長(zhǎng)勢(shì)頭也十分迅猛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年國(guó)內(nèi)光纖激光器產(chǎn)能達(dá)7.4萬(wàn)臺(tái)，主要構(gòu)成為近6萬(wàn)臺(tái)小功率光纖激光器、1.2萬(wàn)臺(tái)中功率光纖激光器和超過(guò)2000臺(tái)的高功率光纖激光器。

  光纖激光器系統(tǒng)中，有源光纖和無(wú)源光纖、激光二極管以及各種光纖器件的逐漸成熟和日臻進(jìn)步，使得光纖激光器和放大器隨之得到巨大的發(fā)展。基于雙包層摻鐿光纖，尤其是大模場(chǎng)雙包層摻鐿光纖(LMA DC- YDF)和匹配的大模場(chǎng)雙包層無(wú)源光纖(LMA DC- GDF)的性能特點(diǎn)，光纖激光器展現(xiàn)出高輸出功率(高峰值、平均功率)、優(yōu)異光束質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)、集成化、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

  國(guó)產(chǎn)光纖激光器近年表現(xiàn)搶眼，但多集中在中低功率領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)產(chǎn)光纖激光器在中小功率的出貨量占比超過(guò)92%。在高功率應(yīng)用方面，國(guó)外企業(yè)依舊占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然國(guó)內(nèi)企業(yè)依靠泵源封裝、泵浦合束器、能量合束器、隔離器、光纖光柵、激光傳輸組件等器件的國(guó)產(chǎn)化，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，逐步擺脫了對(duì)國(guó)外企業(yè)的依賴(lài)，但在某些關(guān)鍵器件技術(shù)及品質(zhì)方面仍有很大差距，如泵源芯片、匹配的大模場(chǎng)雙包層無(wú)源光纖和大模場(chǎng)雙包層摻鐿光纖在全功率段都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化量產(chǎn)?，F(xiàn)光纖激光器廠家大都使用進(jìn)口大雙包層摻鐿光纖并配套同樣進(jìn)口的雙包層無(wú)源光纖，這表明光纖激光器核心原材料并未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。同時(shí)嚴(yán)格的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)和超長(zhǎng)的驗(yàn)證周期，進(jìn)一步導(dǎo)致激光器用光纖產(chǎn)品迭代改進(jìn)的速度落后。由此可見(jiàn)，雙包層摻鐿光纖及雙包層無(wú)源光纖國(guó)產(chǎn)化是制約國(guó)內(nèi)光纖激光器發(fā)展的重要原因。因此，國(guó)產(chǎn)化任務(wù)至關(guān)重要，刻不容緩。

  長(zhǎng)飛公司經(jīng)過(guò)五年的技術(shù)積淀、平臺(tái)打造和產(chǎn)品系列化研發(fā)，已逐步推出了定位于低功率光纖激光器的125μm系列大模場(chǎng)雙包層摻鐿光纖和定位于中高功率光纖激光器的20/400系列雙包層摻鐿光纖。

  長(zhǎng)飛公司通過(guò)MCVD平臺(tái)，在國(guó)內(nèi)首次采用CDS螯合物和鋁磷鐿三元摻雜工藝，很好得優(yōu)化了摻鐿光纖的光子暗化性能及耐高功率沖擊性能。同時(shí)借助多年的工藝技術(shù)沉淀，已建立成熟的大棒工藝路線(xiàn)。該路線(xiàn)不僅極大的提高了單棒產(chǎn)能，更提高了光纖的批次一致性和幾何均勻性。

  125μm大模場(chǎng)雙包層摻鐿光纖包含以下兩種型號(hào)：

  125μm系列大模場(chǎng)雙包層摻鐿光纖主要針對(duì)典型MOPA及調(diào)Q類(lèi)型20W光纖激光打標(biāo)市場(chǎng)。其中DC-10/125 YDF的高吸收系數(shù)(>1.6dB/m@915nm)和大于60%的光光轉(zhuǎn)換效率，能夠保持一級(jí)使用長(zhǎng)度在4米左右。對(duì)于MOPA型光纖打標(biāo)機(jī)，能顯著降低光纖的使用長(zhǎng)度，節(jié)省成本。并且該光纖在915nm附近的平坦吸收峰能降低激光器系統(tǒng)對(duì)冷卻的設(shè)計(jì)要求。而對(duì)于調(diào)Q型光纖打標(biāo)機(jī)能降低一級(jí)諧振腔長(zhǎng)，降低腔內(nèi)損耗，壓縮脈寬，提高二級(jí)脈寬的展寬冗余量，是提高打標(biāo)質(zhì)量的可靠保證。

  激光器使用長(zhǎng)飛的雙包層10/125和20/125摻鐿光纖，功率輸出可控制在19w至21w之間，脈寬可控制在90-110ns之間;同時(shí)，由于長(zhǎng)飛20/125的DC-YDF采用了大模場(chǎng)設(shè)計(jì)，20μm的纖芯摻雜經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，光纖激光器能保持近M2<1.5的激光光束輸出。

  長(zhǎng)飛公司使用優(yōu)化后的光纖拉絲工藝，光纖在環(huán)境穩(wěn)定性方面有明顯改進(jìn)。尤其是通過(guò)了嚴(yán)苛的高溫高濕環(huán)境的快速老化驗(yàn)證：光纖經(jīng)過(guò)8小時(shí)，125℃，2個(gè)大氣壓的老化后，玻璃包層與內(nèi)涂層之間依然保持一致的剝離力;在激光器廠商500小時(shí)連續(xù)烤機(jī)驗(yàn)證過(guò)程中，使用長(zhǎng)飛公司光纖的光纖激光器的功率輸出波動(dòng)在5%以?xún)?nèi);使用長(zhǎng)飛125μm系列摻雙包層摻鐿光纖在經(jīng)過(guò)85℃/85%RH條件老化后，功率波動(dòng)保持在3%以?xún)?nèi)，同時(shí)二級(jí)輸出仍能保持較好的光束質(zhì)量。

  針對(duì)應(yīng)用于連續(xù)中高功率激光器300W-1500W的關(guān)鍵光纖原材料，長(zhǎng)飛推出了大模場(chǎng)雙包層20/400摻鐿光纖，指標(biāo)如下：

  中高功率連續(xù)激光器的成本主要集中在泵源總功率和熱管理部分，長(zhǎng)飛公司生產(chǎn)的有源光纖，有著較高的轉(zhuǎn)換效率，能減少泵源的功率輸出，降低泵源的熱管理難度。同時(shí)更高的轉(zhuǎn)換效率能降低光纖產(chǎn)生的熱量，大大減緩由于嚴(yán)重發(fā)熱造成的光纖涂層的老化速度，提高光纖乃至整機(jī)壽命，保持功率更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定輸出。

  如圖2所示，915nm的泵浦光耦合，使用1080nm的高低反光柵進(jìn)行測(cè)試，長(zhǎng)飛公司大模場(chǎng)雙包層20/400摻鐿光纖的光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到67%，同時(shí)隨著泵浦功率的增加，光光效率呈現(xiàn)出增加的現(xiàn)象。(見(jiàn)圖3測(cè)試結(jié)果)

  為驗(yàn)證長(zhǎng)飛20/400光纖更高功率的穩(wěn)定性，測(cè)試人員增加了一組1400W的穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果顯示，長(zhǎng)飛20/400光纖1小時(shí)內(nèi)功率波動(dòng)值在0.21%，如圖4。

  綜上所述，長(zhǎng)飛針對(duì)低功率打標(biāo)用光纖激光器應(yīng)用推出的125μm系列兩款雙包層摻鐿光纖(10/125和20/125)，在高溫高濕環(huán)境下涂層與玻璃包層的結(jié)合緊密，保證了長(zhǎng)期的工作可靠性;雙包層20/400摻鐿光纖在中功率的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到67%，1400w輸出的功率波動(dòng)極其穩(wěn)定。

  長(zhǎng)飛公司著眼未來(lái)光纖激光器市場(chǎng)，基于對(duì)光纖激光器及其應(yīng)用的深刻理解，充分利用長(zhǎng)飛公司特種光纖的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)、技術(shù)能力與悠久的工藝沉淀，努力為行業(yè)提供國(guó)產(chǎn)化的優(yōu)質(zhì)特種光纖!