在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)纖(xian)(xian)(xian)芯(xin)中(zhong)(zhong)摻入稀(xi)土離(li)(li)子(zi)(zi),泵(beng)浦(pu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)通過(guo)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)時,纖(xian)(xian)(xian)芯(xin)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)稀(xi)土離(li)(li)子(zi)(zi)吸(xi)收泵(beng)浦(pu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang),躍遷到(dao)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)上(shang)能級,產生粒(li)子(zi)(zi)數(shu)反轉(zhuan)。反轉(zhuan)后的(de)(de)(de)粒(li)子(zi)(zi)在(zai)自發(fa)輻(fu)射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)或者特(te)別(bie)注(zhu)入的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)誘導(dao)下(xia)以受(shou)激輻(fu)射躍遷到(dao)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)下(xia)能級,同(tong)時發(fa)射出與誘導(dao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi),這樣的(de)(de)(de)過(guo)程雪崩般發(fa)生,于是(shi)發(fa)射出激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。這就(jiu)是(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)基本原(yuan)理。選擇在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)中(zhong)(zhong)摻稀(xi)土離(li)(li)子(zi)(zi)構成光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi),部(bu)分原(yuan)因就(jiu)是(shi)稀(xi)土離(li)(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)吸(xi)收范圍正好與半(ban)導(dao)體(ti)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)輻(fu)射范圍重合(he),因而(er)能方便地采(cai)用成本低廉的(de)(de)(de)、工(gong)藝較為(wei)成熟(shu)的(de)(de)(de)半(ban)導(dao)體(ti)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)作為(wei)泵(beng)浦(pu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源。
光(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)器的(de)(de)基本結構(gou)由增(zeng)益(yi)介(jie)(jie)質、諧(xie)(xie)振(zhen)腔(qiang)(qiang)與泵浦(pu)(pu)(pu)源組成。增(zeng)益(yi)介(jie)(jie)質為摻有(you)(you)稀土離子的(de)(de)光(guang)纖(xian)芯,摻雜光(guang)纖(xian)放(fang)置在兩個反(fan)射率經過選(xuan)擇的(de)(de)腔(qiang)(qiang)鏡之間,泵浦(pu)(pu)(pu)光(guang)從光(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)切(qie)割機激(ji)光(guang)器的(de)(de)左邊腔(qiang)(qiang)鏡耦合進入光(guang)纖(xian),經準直光(guang)學系(xi)統(tong)和(he)(he)(he)濾波(bo)器得到(dao)輸(shu)出激(ji)光(guang)。從理論上來說,只有(you)(you)泵浦(pu)(pu)(pu)源和(he)(he)(he)增(zeng)益(yi)光(guang)纖(xian)是構(gou)成光(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)器的(de)(de)必(bi)須(xu)組件,而(er)(er)諧(xie)(xie)振(zhen)腔(qiang)(qiang)并非(fei)必(bi)不可(ke)(ke)缺的(de)(de)組件。諧(xie)(xie)振(zhen)腔(qiang)(qiang)的(de)(de)選(xuan)模和(he)(he)(he)增(zeng)加(jia)增(zeng)益(yi)介(jie)(jie)質長(chang)度的(de)(de)作用在激(ji)光(guang)切(qie)割機光(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)器中(zhong)是可(ke)(ke)以不用的(de)(de),因長(chang)光(guang)纖(xian)本身可(ke)(ke)以非(fei)常(chang)長(chang) ,從而(er)(er)獲(huo)得很(hen)高的(de)(de)單程增(zeng)益(yi),而(er)(er)光(guang)纖(xian)的(de)(de)波(bo)導效應又可(ke)(ke)以起(qi)到(dao)選(xuan)模的(de)(de)作用。但實際應用中(zhong)人們(men)一般希望使用較短(duan)光(guang)纖(xian),所以多數情況下采用諧(xie)(xie)振(zhen)腔(qiang)(qiang),以引入反(fan)饋。
光纖激光器的優點
與傳統的(de)氣體(ti)激(ji)光器(qi)和固體(ti)激(ji)光器(qi)相比,以摻雜光纖(xian)為工作介質的(de)光纖(xian)激(ji)光器(qi)具(ju)有以下(xia)優點:
①增益介質的表面積(ji)/體(ti)積(ji)比大
光(guang)(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)(guang)器采(cai)用光(guang)(guang)纖(xian)做(zuo)增益介質,具有很大的表面積/體(ti)積比,這使其(qi)具有非常好的散(san)(san)熱性能,因(yin)此,即使非常高功率(lv)的光(guang)(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)(guang)器,增益介質也不會受到熱損害,一般(ban)無需對增益介質采(cai)取特別的散(san)(san)熱措施,而其(qi)他種(zhong)類的激(ji)光(guang)(guang)器,增益介質的散(san)(san)熱問題是(shi)需要重點考慮的,因(yin)此,該特點是(shi)光(guang)(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)(guang)器多獨有的。
②優異(yi)的雙波(bo)導限(xian)制機制
高功率全(quan)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)采用(yong)雙(shuang)包(bao)層(ceng)有源(yuan)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian),這種雙(shuang)層(ceng)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)是一種雙(shuang)波導(dao)(dao)結構,高功率的(de)(de)(de)(de)多模泵(beng)浦(pu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)被限(xian)制在直徑較大的(de)(de)(de)(de)內(nei)包(bao)層(ceng)中(zhong)傳輸,為(wei)采用(yong)高功率廉價(jia)的(de)(de)(de)(de)多模泵(beng)浦(pu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)提供了條件(jian),信號激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)在直徑很小的(de)(de)(de)(de)具(ju)有圓對(dui)稱(cheng)波導(dao)(dao)結構的(de)(de)(de)(de)纖(xian)芯中(zhong)產生和傳輸,在小芯徑纖(xian)芯波導(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)限(xian)制下,信號激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)可(ke)獲(huo)得理想(xiang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)質(zhi)量和極(ji)小的(de)(de)(de)(de)出(chu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)直徑,這是全(quan)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)獨(du)具(ju)吸(xi)引(yin)力的(de)(de)(de)(de)重要特(te)點,在高功率激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)中(zhong),目前還沒有一種激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)能夠(gou)超越(yue)。優異的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)質(zhi)量和極(ji)小的(de)(de)(de)(de)出(chu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)直徑在激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)應用(yong)中(zhong)具(ju)有非常重要的(de)(de)(de)(de)意義,可(ke)使后(hou)續應用(yong)設備的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)系統更(geng)簡單(dan),體(ti)積(ji)更(geng)小,工作(zuo)距離更(geng)長,激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)聚焦光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)更(geng)小,工作(zuo)效(xiao)率更(geng)高,加工深度更(geng)深,加工質(zhi)量更(geng)好等(deng)等(deng)。
③固有的全封閉柔性光路(lu)
全光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路全部由光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖元件構成(cheng),光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖元件之間采用(yong)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖熔(rong)接技術連接,整個光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路完(wan)全封閉(bi)在光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖波導中。這種天(tian)然(ran)的(de)(de)(de)全封閉(bi)性(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路一旦(dan)形(xing)成(cheng),無需另加隔離(li)措施即可(ke)(ke)自成(cheng)體系,實現與外(wai)界(jie)環(huan)(huan)境的(de)(de)(de)隔離(li)。由于光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖細(xi)小并具有很好的(de)(de)(de)柔性(xing)(xing),光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路可(ke)(ke)盤繞和(he)沿(yan)細(xi)小的(de)(de)(de)管(guan)道(dao)穿行,因此(ci),全光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器能夠在比較惡劣的(de)(de)(de)環(huan)(huan)境下工(gong)作,輸出光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)可(ke)(ke)穿過狹小的(de)(de)(de)縫隙或沿(yan)細(xi)小的(de)(de)(de)管(guan)道(dao)進行遠距離(li)傳(chuan)輸。這些特點在工(gong)業應(ying)用(yong)中優勢巨大,激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)不但(dan)能適應(ying)比較惡劣的(de)(de)(de)工(gong)作環(huan)(huan)境,而且可(ke)(ke)以使(shi)(shi)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器原理出光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)點,可(ke)(ke)將激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)引入到以前很難到達的(de)(de)(de)地(di)方,可(ke)(ke)非常容易移動和(he)改變出光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)點,實現加工(gong)點公(gong)用(yong)一臺激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器,可(ke)(ke)使(shi)(shi)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)加工(gong)設備的(de)(de)(de)設計具有更高的(de)(de)(de)靈活性(xing)(xing)等等。
④光路(lu)具有免(mian)維護性
如(ru)前(qian)所述,全(quan)(quan)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)關谷全(quan)(quan)部(bu)由(you)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)和(he)(he)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)元件(jian)構成(cheng),光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)和(he)(he)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)元件(jian)之間采用光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)熔接(jie)技術連(lian)接(jie),因此,光(guang)(guang)(guang)路一(yi)旦完(wan)成(cheng),即形成(cheng)一(yi)個(ge)整體(ti)(ti),實踐證明(ming),這樣形成(cheng)的(de)(de)(de)鏈接(jie)結構和(he)(he)連(lian)接(jie)參(can)數將長(chang)期(qi)(qi)保(bao)持穩定(ding),如(ru)果(guo)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)和(he)(he)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)元件(jian)本身能有長(chang)期(qi)(qi)穩定(ding)性(xing)(xing),整個(ge)光(guang)(guang)(guang)路將長(chang)期(qi)(qi)穩定(ding),無需維(wei)(wei)(wei)護(hu)。需要特(te)別指(zhi)出的(de)(de)(de)是,這種免(mian)(mian)維(wei)(wei)(wei)護(hu)的(de)(de)(de)特(te)性(xing)(xing)并非不(bu)可(ke)維(wei)(wei)(wei)護(hu)和(he)(he)維(wei)(wei)(wei)修(xiu)(xiu),在需要的(de)(de)(de)情(qing)況下,整個(ge)光(guang)(guang)(guang)路的(de)(de)(de)維(wei)(wei)(wei)護(hu)和(he)(he)維(wei)(wei)(wei)修(xiu)(xiu)同樣可(ke)以進(jin)行(xing),因此,與氣體(ti)(ti)和(he)(he)固體(ti)(ti)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器需要頻繁的(de)(de)(de)維(wei)(wei)(wei)護(hu)維(wei)(wei)(wei)修(xiu)(xiu)相比,全(quan)(quan)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器光(guang)(guang)(guang)路的(de)(de)(de)免(mian)(mian)維(wei)(wei)(wei)護(hu)特(te)性(xing)(xing)異常優異,而與半導體(ti)(ti)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)不(bu)可(ke)維(wei)(wei)(wei)修(xiu)(xiu)性(xing)(xing)相比,全(quan)(quan)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)可(ke)維(wei)(wei)(wei)護(hu)性(xing)(xing)和(he)(he)可(ke)維(wei)(wei)(wei)修(xiu)(xiu)性(xing)(xing)表現出明(ming)顯(xian)的(de)(de)(de)優勢。
⑤壽命長(chang)
全光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路具(ju)有(you)(you)長(chang)期穩定性,因此,需要與(yu)之匹配(pei)的(de)(de)(de)(de)長(chang)壽(shou)(shou)命(ming)泵(beng)(beng)浦激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)才能獲得(de)整機的(de)(de)(de)(de)長(chang)壽(shou)(shou)命(ming)。發(fa)展低(di)(di)價格的(de)(de)(de)(de)長(chang)壽(shou)(shou)命(ming)多模泵(beng)(beng)浦激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)使(shi)發(fa)展長(chang)壽(shou)(shou)命(ming)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)重點。單(dan)條寬(kuan)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)區(qu)多模泵(beng)(beng)浦激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)就是(shi)(shi)這樣(yang)一種長(chang)壽(shou)(shou)命(ming)半導(dao)體(ti)(ti)泵(beng)(beng)浦激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi),其條寬(kuan)一般(ban)取100mm,基(ji)本(ben)上已(yi)經接近105/125多模光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)(de)纖(xian)芯直徑,其有(you)(you)源(yuan)區(qu)條寬(kuan)是(shi)(shi)列陣半導(dao)體(ti)(ti)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)幾十(shi)倍,對單(dan)一發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)條來(lai)說,同樣(yang)輸出功(gong)(gong)率(lv)和同樣(yang)注入電流情況(kuang)下,其光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)(gong)率(lv)密(mi)度(du)和電流密(mi)度(du)將降低(di)(di)幾十(shi)倍,有(you)(you)源(yuan)區(qu)溫度(du)也會有(you)(you)所降低(di)(di),在忽略其他因素的(de)(de)(de)(de)前提下,單(dan)條寬(kuan)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)區(qu)半導(dao)體(ti)(ti)泵(beng)(beng)浦激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)降低(di)(di)失效率(lv)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用是(shi)(shi)異常(chang)顯(xian)著的(de)(de)(de)(de)。目前尾纖(xian)輸出功(gong)(gong)率(lv)大(da)于5W的(de)(de)(de)(de)單(dan)條寬(kuan)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)區(qu)半導(dao)體(ti)(ti)泵(beng)(beng)浦激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)平均無故障工作(zuo)時(shi)(shi)間已(yi)經達到50萬小(xiao)時(shi)(shi)以上。采用單(dan)條寬(kuan)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)區(qu)半導(dao)體(ti)(ti)泵(beng)(beng)浦激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)作(zuo)為光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)線激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)泵(beng)(beng)浦源(yuan),全光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)將具(ju)備(bei)長(chang)壽(shou)(shou)命(ming)的(de)(de)(de)(de)特點,因此,制作(zuo)具(ju)有(you)(you)幾十(shi)萬小(xiao)時(shi)(shi)得(de)長(chang)壽(shou)(shou)命(ming)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)在技術上已(yi)經可行。
⑥體(ti)積小(xiao)重量輕
全光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)由于光(guang)(guang)(guang)(guang)路可盤繞,光(guang)(guang)(guang)(guang)路占用(yong)空間較(jiao)小(xiao),在采(cai)用(yong)單條寬發光(guang)(guang)(guang)(guang)區半(ban)導體(ti)泵浦(pu)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)做泵浦(pu)源的情(qing)況(kuang)(kuang)下(xia),泵浦(pu)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)可分散安(an)裝(zhuang)(zhuang),具有很好(hao)的散熱(re)特性,在安(an)裝(zhuang)(zhuang)密(mi)度不(bu)高的情(qing)況(kuang)(kuang)下(xia),采(cai)用(yong)冷即可,在安(an)裝(zhuang)(zhuang)密(mi)度較(jiao)高的情(qing)況(kuang)(kuang)下(xia),只需少量(liang)通水即可滿足散熱(re)要求(qiu),因此,全光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)的體(ti)積比同樣(yang)輸出(chu)功率的氣(qi)體(ti)和固體(ti)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)系統更小(xiao),重量(liang)更輕(qing)。