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光纤激光器用光纤与器件解决方案之YDFA Gain Block/特种无源光纤/中高功率传能光纤组件

2020-05-14 17:29:57 深圳市海誉光通讯技术有限公司 阅读

长飞光纤光缆动态3则:(1)光纤激光器用光纤与器件解决方案—YOFC增益放大模块—YDFA Gain Block;(2)光纤激光器用光纤与器件解决方案—特种无源光纤;(3)激光器用光纤与器件解决方案—中高功率传能光纤组件。

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  长飞公司:光纤激光器用光纤与器件解决方案—YOFC增益放大模块—YDFA Gain Block

  一、背景

  光纤激光器,是利用掺稀土元素石英光纤作为增益介质的一种固体激光器。主要由泵浦源、泵浦合束器、谐振腔、有源光纤及隔离器等部件构成。

  与传统的固体激光器和CO2激光器相比,光纤激光器具有三重优势。一是光束质量好、能量密度高,适用于高速精密加工;二是运行成本低,其高达30%的电光转换效率,是现有固体激光器与气体激光器无法比拟。同时由于采用光纤这种高比表面积介质,散热效果好,冷却系统简单且容易维护;三是柔性传输,光纤激光器结构紧凑,体积小,采用光纤传输激光能量,与加工对象之间距离限制小,能与机械手臂等自动化装备集成形成柔性加工。

  长飞光纤光缆股份有限公司(以下简称长飞公司)特种光纤业务已经服务于我国光纤激光器行业多年,其提供基于光纤激光器的特种光纤均已批量生产走向市场,如泵浦源用多模尾纤、泵浦合束器用信号光纤、双包层掺镱光纤、隔离器与准直器用信号能量光纤等。此外,高功率光纤光栅也即将面世。

  图1 光纤激光器综合解决方案

  当前,光纤激光器主要采用模块化设计,模块化更利于结构设计与组装生产,后期检修维护简单高效。同时模块化后,单个激光器也能作为能量模块用于并列集成更高功率激光器,且运行可靠性更高。基于以上原因,电学和光学分层设计组装,光纤分层中最为重要的放大模块根据功率和作用不同,分别设计成种子级模块和增益放大模块(以下简称Gain Block)两部分。

  二、长飞YDFA Gain Block介绍

  长飞公司基于在光纤设计、制造,应用的技术沉淀,提供光纤激光器用特种光纤解决方案的同时,为了更好的满足光纤激光器生产厂家在性能改进、成本管控及生产标准化等方面的需求,推出YDFA Gain Block,该模块使用了长飞公司的多模泵浦光纤,高性能双包层掺镱光纤及高精度匹配无源光纤。长飞公司通过稳定的物料供应和整机性能控制,为激光器厂家提供模块化的解决方案。

  其中中低功率脉冲打标光纤激光器应用的10/125,20/125等两级核心增益双包层掺镱光纤,是长飞经过多年研发与技术积累的成果。双包层掺镱光纤已在高掺杂浓度下实现了无光暗化,更高的包层吸收系数,更高的转换效率和长期可靠性,加上长飞公司迅速响应的技术支持,已经使得长飞公司成为国内光纤激光器市场的主流光纤供应商。

  图2 长飞YDFA Gain Block

  目前主要推出面向适用于MOPA及调Q的20W打标光纤激光增益放大模块,指标如表1。在提供Gain Block的同时,长飞公司也将提供优化的光纤熔接等技术服务。

  以此为基础,长飞公司为中低功率光纤激光器提供全套的特种光纤及关键器件解决方案。作为国内领先的特种光纤生产厂商,长飞公司将继续深耕特纤及器件关键技术,为光纤激光产业的蓬勃发展贡献力量!

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  长飞公司:光纤激光器用光纤与器件解决方案—特种无源光纤

  ICCSZ讯 随着中国制造业的快速发展,光纤激光器市场迅猛增长。在工业加工领域,激光波长为1μm的掺镱光纤激光器具有非常广泛的应用,如激光打标、激光焊接、激光切割等。在光纤激光器系统中,除了核心的有源光纤之外,还涉及到多种无源光纤,例如光纤光栅、光纤隔离器中的无源匹配光纤,光纤合束器中的无源匹配光纤和无源多模大芯径能量耦合光纤,激光传能组件中的无源多模大芯径传能光纤等各类无源光纤。

  图1是光纤合束器模型示意图,以某合束器为例,其中1、2光纤匹配使用,类型分别为105/125-0.22NA;200/220-0.22NA;3、4光纤匹配使用,类型分别为:10/130-0.08NA;20/130-0.075NA;以上4类光纤均为特种无源光纤。

  一、长飞特种无源光纤产品

  长飞光纤光缆股份有限公司(以下简称长飞公司),经过多年的技术积淀、平台建设和产品研发,基于MCVD平台,在国内首次采用CDS螯合物和铝磷镱三元体系掺杂工艺,成功开发出定位于低功率光纤激光器的125μm系列大模场双包层掺镱光纤和定位于中高功率光纤激光器的20/400系列双包层掺镱光纤。与此同时,长飞公司基于独特的PCVD核心技术,还成功开发了一系列无源匹配光纤和大芯径光纤。

  通常光纤激光器具有良好的光束质量,其光束质量M2一般小于1.5,同时高功率激光传输还要求光纤需具备较大的模场面积,这都对激光在光纤内传播模式提出了要求。因此,无源匹配光纤的纤芯直径、数值孔径等关键波导参数需要控制的非常精确,从而达到对光纤模式的精确控制。PCVD工艺的主要优势之一,就是能够实现对光纤波导参数的精确控制。在此基础上,长飞公司通过大棒工艺路线,有效的实现了光纤优异的几何指标和批次一致性。为了有效地提高泵浦光的利用率,长飞公司研发生产的无源匹配光纤具有优良的双包层结构,并通过特殊的低折射率涂料实现了高达0.46以上的数值孔径(NA),在苛刻环境下,仍具有良好的机械与环境可靠性。本系列主要产品型号见表1。

  二、长飞特种无源光纤产品参数

  长飞公司的无源匹配光纤具有良好的几何指标,如130系列光纤的芯包同心度小于0.7μm,250和400系列光纤的芯包同心度小于2μm,包层不圆度均小于0.5%。良好的几何参数能够有效的保证光纤的接续质量和器件的生产效率。

  长飞公司的无源匹配光纤具有如下优势:一、兼容长飞公司有源光纤,熔接损耗低(10/130系列无源匹配光纤与相应型号的有源光纤熔接损耗小于0.15dB@1310nm);二、出射激光光束质量M2可达到1.1;三、具有良好的机械性能,动态疲劳参数(nd)达到25以上,拉断力达到5GPa以上;四、可靠性高,采用自研的高可靠性的涂料技术,剥离力在1.6N~3.2N之间,并通过了严苛的高压水煮实验(126℃,1.5个大气压,8小时)。

  长飞公司的无源匹配光纤已经通过了国内数家器件厂家的验证,表现出了良好的性能指标,采用长飞公司的10/130系列无源匹配光纤所制备的器件光纤合束器与光纤光栅均已通过相关可靠性验证,指标均符合实验设计要求,如表3所示。

  另一方面,在泵浦光源的输出端、合束器以及在光纤激光器的输出端,需要用到大芯径及较高数值孔径的光纤。长飞公司利用PCVD工艺,实现了高浓度的氟(F)掺杂,成功制备了NA达到0.22的光纤预制棒。结合涂料技术和大尺寸光纤拉丝技术,成功实现了一系列的多模大芯径传能光纤产品,比如105/125-0.22NA,200/220-0.22NA等型号。并已成功应用于高功率光纤合束器及传能组件等场合。

  *可提供0.12NA,0.15NA产品。

  三、展望

  同有源光纤一样,特种无源光纤也是光纤激光器中的关键部分。国内光纤激光器产业正处于高速发展时期,对高端特种光纤国产化的需求明确并且日益增强。随着激光器功率的不断提高,对于光纤的性能要求也越来越高,掌握核心的光纤设计技术、光纤预制棒制备技术、特种涂料技术、光纤拉丝技术和光纤测试技术,是实现高可靠性无源特种光纤的必备保障,也是长飞公司的优势所在。长飞公司将全力支持光纤激光器产业的发展,不遗余力地满足客户需求,为特种光纤国产化而不断努力。

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  长飞公司:激光器用光纤与器件解决方案—中高功率传能光纤组件

  一、行业背景

  作为20世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一,激光技术和激光产业的发展受到了全世界的广泛重视。其中,作为激光技术的重要应用,激光加工已全面深入传统工业,并促使传统工业制造技术不断更新升级。如今,激光加工已具备对各种材料进行切割、焊接、打孔、刻划、清洗及熔覆等处理的能力,并具备传统工艺所没有的处理精度佳、处理效率高及质量优异等特点。

  作为激光器与待加工材料的纽带,传能光纤组件在激光加工过程中必不可少。它实现了激光的柔性传输,将激光精准地导入到待处理区域,是精密加工的重要一环。

  二、长飞公司传能光纤组件规格

  根据应用不同,连接器类型选择不同,工业应用主要为HP-SMA与YLD80光纤连接器两大类(如图1所示),各类中又根据传输功率的不同有带水冷及不带水冷两种类型,并且为了进一步提高散热等功能,YLD80光纤连接器还分为带蓝宝石与不带蓝宝石两种。

  图1传能光纤组件产品(左边YLD80,右边HP-SMA)

  长飞光纤光缆股份有限公司(以下简称长飞公司)基于市场应用,开发了系列传能光纤组件。基本规格型号如表1。

  三、长飞公司传能光纤组件特点

  1)完善的传能光纤组件方案

  传能光纤组件的主要部件是其中的传能光纤及相应的光纤连接器。长飞公司作为技术领先的特种光纤研发及生产厂商,可以针对不同应用及所需传输激光的特点,选择或研发适用的光纤并选配相应的光纤连接器。表2就半导体激光器应用,给出了最高激光传输功率的建议供客户作为选择依据。在光纤激光器的激光传输中,相同芯径的光纤在QBH连接器的配合使用下,所传输的最高激光功率可以更高。

  2)高激光传输效率及温度稳定性

  传能光纤组件在高功率条件下的功率传输和温度稳定性是应用关注的重点,实验选取纤芯600μm的光纤,配蓝宝石YLD80光纤连接器做成组件,1064nm激光初始入射功率550W,并就下述条件对传能光纤组件进行8小时不间断脉冲激光传输测试,测试结果如图2所示。

  图2激光传能测试的结果(峰值功率:6kw,脉宽:6.2ms,重复频率:15Hz)

  8小时内组件的平均输出功率为500.0±5.7W,传输不稳定度小于1.5%,激光传输效率92%以上。在传输稳定一段时间后,组件连接器的温度稳定在41℃。可见,长飞公司开发的这款传能光纤组件激光传输性能优异,使用稳定可靠。

  3)激光加工处理效果优异

  以激光焊接为例,该验证使用IPG激光器,某组参数下整机测试时,长飞公司和国外某友商光纤类结构200μm纤芯传能光纤组件的整机测试时,单脉冲能量几乎一致。表3是激光焊接实际验证中,两种光纤焊接指标对比。

  表3长飞光纤与国外某友商光纤激光焊接性能对比

  长飞公司和国外某友商公司类结构200μm纤芯传能光纤组件在焊斑形状及焊斑半径两个指标上相近,在熔深指标上,长飞光纤略低于国外某友商光纤,但因这种差异较小,在实际使用中影响甚微。

  除了常规的单芯传能光纤组件,长飞公司还开发了多芯集束传能光纤组件(图3)。该多芯集束传能光纤组件采用特制插芯制成,同时改进的技术工艺还可以防止集束高功率产生的高温负面影响。根据客户的实际使用需要,我们还能提供矩形或正方形等集束产品。长飞公司将坚持“客户、责任、创新、共赢”的价值观,为激光传能市场提供高效的解决方案。


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