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使用大型激光设备的企业要注意了:万瓦级光纤激光器为什么要强调拉曼抑制比?

来源:www.laser08.com 时间:2022-04-19 点击:813
大功率连续镱光纤激光器以其高电光效率、优异的光束质量和温度控制能力,广泛应用于工业加工、军事国防、科研等领域。但是输出功率有限。
采用大功率双镀层光纤激光器,当光纤输出功率达到kWh时,纤芯的功率密度很高,目前容易产生非线性效应,导致单色性下降。 .出射光。目前,光纤上的非线性效应也是输出信号光功率特性退化的主要来源,包括受激布里渊散射(SMBS)和受激拉曼散射(SRS)。 SMBS中改变散射光频率的过程主要发生在窄带(通常小于0.8nm)光纤激光器中,主要用于科研和国防。当今的工业应用,例如切割、焊接、涂层和其他应用,没有严格的光谱要求。目前,加工行业的主要焦点是使用类似于高功率激光器的高性能加工应用。通常,高功率光纤激光器的光谱宽度相对较宽,因此应考虑使用 SMBS。
在高功率宽带光纤激光器中,受激拉曼散射将激光信号的功率转换为斯托克斯光,当达到拉曼阈值时,斯托克斯光会急剧增加。如果将信号光以外的光作为噪声处理,则激光输出的信噪比会迅速下降。因此,对于功率为 10,000 W 或更高的激光器,SRS 效应变得更加显着。通常,当激光输出的拉曼功率达到总光输出的 1% 时,系统中泵的光输出称为 SRS 阈值。
对于高功率激光器,SRS 的主要副作用通过三种方式减少:
1 拉曼影响激光输出功率和光束质量
在光纤激光器中,通过拉曼效应调谐的拉曼散射光沿光纤长度方向双向传输:另一方面,部分激光信号功率被传递给拉曼散射光,从而降低了功率。的激光。信号。 .此外,背向散射的拉曼光会损坏激光系统的光纤组件,并限制光纤激光器光功率的提高。另一方面,拉曼光的产生也会降低激光束的质量,从而降低应用效果。
2 拉曼色散影响整个应用系统的散热,降低可靠性。
在工业激光器中,SRS 产生的波长从大约 50 nm 变化到光信号的波长。对于典型的高功率工业激光输出光谱,光信号的中心波长为 1080 nm,一阶拉曼光的中心波长为 1130 nm。
这导致了另一个问题。光学器件的适当涂层的光束路径也应在该波长下提供高透明度。用于光学设备的现代抗反射涂层在类似拉曼的中等波长雕刻中通常约为数十纳米。有效传输波长通常在 90% 左右,包含的单元包括传输电缆出口表面上的石英柱、刀头内的保护透镜和聚焦透镜准直器。在高功率的情况下,SRS 中的光很容易看到并“沉淀”在这些组件中,从而导致发热、降低应用性能,并可能降低系统和激光器的可靠性。或者被切断的头可以飞。
例如,如果具有信号波长的激光器的拉曼光强度比信号波长大 20 dB,则拉曼光输出在光谱积分中约为 2%,而 20kW 激光器中的 10% 则增加了 2%。 .镜头光晕。这意味着 40 W 的拉曼光对激光系统电路的光学元件造成了压力,特别是一些制造商的实际镀膜输出可高达 1130 nm。如果拉曼辐射足够强,它还会产生 2 度甚至 3 度拉曼辐射,即更长波长的激光,这会增加整个系统的压力。以目前的应用和设备电源管理,光信号和拉曼光衰减比在 20kW 和 30kW 时大于 25dB 是有道理的。
拉曼生成限制了激光锚的长度增加
拉曼阈值与有效纤维长度之间的反比关系对整个现代高效机器的使用有一定的影响。所谓有效光纤长度是指光纤通过整个激光传输路径的长度,由有源光纤和无源光纤组成。因此,如果10000W以上的激光器的拉曼调节不理想,光传输电缆的长度就不是很长。例如,国内几家激光厂家的激光输电电缆功率为20kW,功率为100μm的功率为30kW。 ,平均长度只能是 20 m。但是,这种功率级别的激光器通常用于非常大的机器中。灯的长度旨在限制治疗的舒适性和有效性。
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从公式可以看出,影响光纤激光器中SRS阈值的因素有光纤长度、纤芯直径、拉曼增益等。根据SRS的形成机制及其阈值公式,抑制SRS的方法主要有:
1 光纤结构设计增加了光纤空间的有效场面积。
SRS 阈值与光纤模式下的实际场范围成正比。在大表面状态下使用光纤可以降低进入光纤纤芯的激光的功率密度,从而提高 SRS 阈值 [2]。目前,高空间光纤的结构设计主要包括:数值孔径减小直接增加纤芯直径、光子晶体光纤(PCF)、色散通道光纤(LCF)[4]等。工业范围受到大规模生产的压力和成本的限制。通常,在高场模式中,使用具有低数值孔径的双涂层光纤,很少使用其他特殊纹理光纤。
2 减少光纤的有效长度
众所周知,根据工作时间,光纤激光器的SRS阈值与光纤的有效长度成反比,相互作用距离越大,SRS效应显着增强[5]。在光纤的活性阶段,掺杂高浓度的稀土离子可以通过尽可能缩短光纤长度来保证增强光纤能够充分吸收泵浦光,从而提高SRS阈值,降低SRS 增益。 .
3 检查激光输出的光谱
主谱线宽度的激发 和拉曼光谱滤波和激光输出光谱的逆行激发。因此,在最强大的激光器中,正确使用广谱光栅会增加激光光谱的宽度,从而降低光谱密度并提高拉曼阈值。此外,市场上使用的斜栅主要用于过滤SRS光,从而降低放大的SRS。
拉曼光散射现象和空间不稳定性是限制光纤激光器使用的生产率和可靠性提高的主要原因。对于10000W的输出功率,工业市场主要通过不一致的合束系统,需要控制受激拉曼散射,提高光谱信噪比,提高激光加工应用的可靠性和稳定性。
目前工业加工中常用的光纤激光器通常使用准直聚焦系统发射​​指向材料表面的高斯光束,以实现最小的有效范围和最高的电密度。然而,太高的激光能量浓度会导致切割区域出现波浪线,也会增加粗糙度,降低切割质量,并容易形成飞溅颗粒,从而导致表面粗糙度的变化和表面划痕。减少金属和对目镜等光学仪器的污染。 .
经过长时间观察,用环形能量点激光切割的厚板比高斯点激光切割更薄,粗糙度更小,切割质量更好,可以大大减少飞溅。焊接。国内一些激光器公司已经生产了3kW和4kW单腔环形光纤激光器,但由于非线性光纤的影响和空间稳定性的影响,目前还没有5kW级别的报道。
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