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【年终总结】2015年光纤激光器领域的“两三事”
香蔓 2014-12-29 来源: 一点资讯
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OFweek激光网讯:近些年,光纤激光器已经为工业应用领域发展最快的方向,正逐渐抢占传统激光器市场。为此,国内外在光纤激光器开发方面异常活跃。与此同时,各种新型光纤激光器产品也是层出不穷。国内在光纤激光器领域发展迅速,除了在光源及设备领域不断完善,上游合成材料及器件也取得了很多突破,正逐步打破国际技术壁垒。而在高精尖的激光武器方面,以美国为代表正逐渐推进高功率光纤激光器在军事领域的应用。接下来,OFweek激光网编辑将带你回顾2015年度国内外光纤激光器领域所取得的相关进展情况。

一、国内篇:

1、武汉锐科“4kW全光纤激光器”通过国家工信部项目验收

2015年11月16日,武汉锐科承担的科技重大专项“4kW全光纤激光器”课题通过了由工信部组织的项目技术验收。

工信部专项办领导及专家组组长北京航空制造工程研究所巩水利教授等一行10人参加了本次验收会议。闫大鹏博士作为课题负责人,与各子课题负责人分别汇报了任务完成及成果应用情况。验收专家组通过对4kW全光纤激光器生产现场和应用示范单位的考察及质询讨论,对课题的完成给予了肯定。专家组认为项目成果达到国际先进水平,关键技术指标超过国内同行业水平,达到了项目课题预期要求,且项目产业化推广成果显著,为国家相关行业发展带来了较大的经济效益和社会效益,一致同意通过该课题的技术验收。

4kW全光纤激光器项目的成功验收,标志着锐科在该领域打破了国外垄断,对中国激光产业链激光核心器件的研发及规模的提升有很大的推动作用,同时为相关行业对高功率光纤激光器量产化的需求提供了保障。

2、上光所掺镱拉曼光纤放大器获新突破

拉曼光纤激光器已经能够达到几百瓦的功率水平。然而在拉曼光纤中,波分复用(WDM)组件通常对泵浦和种子激光进行合束,从而使该组件成为实现更高功率的瓶颈。同样地,用于泵浦1178nm拉曼光纤放大器(倍频至589nm,用于自适应光学望远镜在上层大气中产生钠导星)的1120nm镱(Yb)光纤激光器,也深受放大自发辐射(ASE)和1060nm处寄生激光的影响,严重限制了1120nm光纤激光器的输出。

为了解决这些问题,并创建高功率1120nm光纤激光源,中国科学院上海光机所(SIOM)的研究人员已经开发出了一种集成的掺镱拉曼光纤放大器(YRFA)架构,解决了拉曼光纤激光器和/或长波长掺镱光纤激光器的功率提升问题。放大器采用一段掺镱光纤、其后跟随一段拉曼增益光纤的结构,两段光纤均采用双波长激光器作为种子源,以避免寄生激光和对波分复用组件的需求。

目前,掺镱光纤激光器可以产生千瓦甚至数十千瓦的衍射极限输出,通常使用主振荡器功率放大器架构。通过利用双波长激光器取代主振荡器,以及在功率放大器的末端增加拉曼光纤段,YRFA实现了完整的架构;研究人员认为实现高于千瓦级的拉曼光纤激光器是可能的。

“事实上,我们最近已经获得了波长为1120nm的千瓦级拉曼光纤激光器,”上海光机所的激光技术研究员冯衍说道,“我们提出的激光器结构允许进一步提升拉曼光纤激光器的功率,并且由于拉曼光纤激光器的波长多样性,其几乎具备在1~2μm的任何波长处输出高功率激光的能力。”

3、暗孤子光纤激光器重复频率已达280GHz

江苏师范大学和新加坡南洋理工大学的研究人员,在长期开展暗脉冲激光理论与实验研究的基础上,提出了一种全新的产生超高重复频率暗孤子的激光运行机制。研究表明,这种新的运行模式通过光纤激光器的腔致调制不稳定性可以提高暗孤子的重复频率,通过控制泵浦功率可以调节激光器的重复频率,目前重复频率已达280GHz,并且有望进一步提升暗孤子的重复频率至太赫兹量级,从而为多个科学领域提供更为有效的研究手段。

亮脉冲和连续波(CW)作为激光器的两种基本操作状态已为大家所熟知,暗脉冲作为激光器的第三种基本操作状态从70年代末才被人发现并对其进行研究。当光脉冲在光纤中传播时,由于非线性和色散效应的竞争性共同作用,光脉冲在光纤中传播时可以保持形状不变,人们称这种脉冲为"孤子"。当孤子峰值功率高于背景时,此类孤子称为"亮孤子";当孤子峰值功率低于背景时,此类孤子称为"暗孤子"。由于光孤子的传播不变特性以及光孤子脉冲的极窄化,孤子通信一直被认为是下一代通信系统的首选对象。孤子可以在光纤激光器中产生,孤子光纤激光器从一诞生就作为孤子通信的理想光源而备受关注。理论和实验研究表明:与亮孤子相比,在有噪声的情况下暗孤子的传输更加稳定,受光纤损耗时其脉冲展宽得更慢。同时,影响亮孤子应用的许多其他因素,如放大器的定时抖动及脉冲内拉曼散射等,对暗孤子的影响也更小。暗孤子对噪音和光纤传输损耗比较不敏感,因此是光通讯的未来之星。

江苏师范大学的研究小组在工作波长为1580nm附近的掺铒光纤激光器中利用调制不稳定性与腔的共振效应实现高重复频率的暗脉冲光纤激光输出,同时发现泵浦功率可以有效地调控暗脉冲重复频率。从而大大提升暗孤子的重复频率。该新机制为暗孤子光纤激光器应用于孤子通信奠定了相关的实验基础,并为研究激光器的基本操作状态提供了一种全新的可控光源,在超快光学调控领域有着广泛的应用前景。

4、大族激光加快光纤激光器产业化

近日,大族激光发布公告称,公司计划以不低于30元/股的价格,向不超过10名特定投资者非公开发行不超过1.75亿股股份,募集资金总额不超过52.28亿元,这些资金用于高功率半导体器件、特种光纤及光纤激光器产业化、工业机器人关键技术研发中心等4个项目。

其中,用于高功率半导体器件、特种光纤及光纤激光器产业化项目占本次募集总资金的35%。该项目的实施主体为本公司,用于建设高功率半导体器件、特种光纤及光纤激光器产业化生产线,主要产品包括高功率半导体器件、特种光纤及三大系列光纤激光器(包括小功率光纤激光器、中功率光纤激光器和高功率光纤激光器)产品。其中高功率半导体器件主要作为本项目光纤激光器的原材料,部分对外销售;特种光纤全部作为本项目光纤激光器的原材料,不直接对外销售;三大系列的光纤激光器主要作为原材料用于生产激光加工设备后对外销售。本项目重点在于打造光纤激光器从激光器到激光设备的整条产业链。

5、高功率光纤激光器核心光栅打破国际禁运

上海光机所偏振无关合束光栅的研制取得突破进展。中科院强激光材料实验室在国内率先研制出偏振无关全介质合束光栅,所研制的50mm×50mm光栅在无偏激光1040nm-1070nm范围内衍射效率达到94%以上,可承受功率达到数千瓦。

基于强激光薄膜的工艺基础和光栅设计基础,上海光机所科研人员结合强激光薄膜的制作工艺、灵活的光栅结构设计,巧妙地提高了光栅制作各环节的制作容差,实现了我国偏振无关全介质合束光栅研制的突破。

高功率光纤激光器合成技术已成为国际上的研究热点,其中非相干光谱合成是近期发展迅猛的合成方式,其核心元器件即为偏振无关全介质合束光栅,全世界唯有供给美国Lockheed Martin公司的利弗莫尔实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)及先进薄膜中心(Advanced Thin Films)合作研制成功的全介质百层超低损耗的全介质合束光栅(引自:2014 R&D 100 Awards in America,“The Power of Combined Laser Light”)的应用报道,且对我国禁运。

 

6、上光所首次提出稀土离子掺杂的软玻璃全固态光纤概念

具有高损伤阈值和非线性阈值以及良好散热能力的大模场光子晶体光纤(PCF)一直是国内外研究的重点。中国科学院上海光学精密机械研究所在国际上首次提出了稀土离子掺杂的软玻璃全固态光纤概念。该方案利用低折射率的玻璃取代了空气孔,避免了空气孔的存在带来的缺陷,使得全光纤激光器成为可能,同时软玻璃的使用也显著地提高了光纤的泵浦吸收率和非线性阈值。上海光机所利用自行制备的6wt% 镱掺杂的高质量磷酸盐玻璃,利用管棒法和堆积法相结合的方法,首次成功制备了纤芯直径为17微米的单模输出、保偏的磷酸盐全固态光子晶体光纤,在~40cm的光纤中实现了13.8W的激光输出,同时通过改变光纤对称性,实现了该种光纤的保偏性能,保偏度达80%。

由于石英光纤物化性能稳定、传输损耗低、软化点高等特点,目前的大模场光纤的研究重点主要集中在石英光纤。但是,石英光纤其稀土溶解度低,非线性阈值低,使得其泵浦吸收率很低,同时在高功率输出时非线性效应明显,严重影响光纤激光器功率的进一步输出。目前大部分的石英PCF中的构成光子晶体排布的低折射率棒由空气构成,这不但使得该种光纤制备和保存复杂,成本高,又由于空气的导热性差,使得该种光纤在高功率时产生模式不稳的现象,影响其光束质量的稳定性。同时,空气孔的存在使得其很难与包括泵浦源在内的传统的尾纤输出的设备熔接,导致全光纤激光器无法实现。上海光机所研制的全固态光子晶体光纤提出了一种新结构的大模场光纤,成功解决了多空光纤难焊接、散热差、难实现全光纤激光器等缺点。

7、中国第一部光纤激光器行业标准发布

由武汉锐科牵头起草的中国第一部光纤激光器行业标准,将于今年正式发布。

今年6月18日,由武汉锐科牵头起草的《光纤激光器总规范》,在北京通过了中国机械工业联合会的最后审查,进入待发布状态。“这是我国首部光纤激光器行业标准,这一标准的发布实施,有利于推动我国光纤激光器产业发展。”武汉锐科光纤激光技术股份有限公司总经理杨宏源表示。

二、国外篇:

1、瑞士科学家研发2μm掺铥光纤激光器

瑞士科学家成功获得 2μm 波长的掺铥光纤激光器,此类型激光器通过简单而且廉价的结构,便消除了对昂贵的隔离器和放大器的依赖。通过设计简洁新奇的 THETA 谐振腔结构,使得光在光纤内能够错向传输,实现激光单向传输。此种方法不仅价格便宜,而且能够获得比同类激光器更高的输出功率。

2μm 波长的激光器是其投入应用的关键技术。水中 O-H键的第一振荡频率的吸收波长在 1.92-1.94μm 范围,这使得 2μm 波长技术能够用于“无血”的激光手术,其中水分子在组织分血液中能够缩小切口且快速凝固。大气中 H2O、CO2 以及 NO2的多重吸收线也位于这个区域,给气象学、环境科学以及农业科技带来巨大的潜力。除此之外,在自由空间通信、材料加工以及光谱测量也有一定的应用。

目前,2μm 波长区域的其他光纤激光器昂贵且笨重,需要光隔离器才能实现光的单向传输。而瑞士洛桑联邦理工学院的光子系统实验室的电气工程教授 Camille-Sophie Brès 及其博士生 Svyatoslav Kharitonov,利用一个环形纤维空腔 THETA谐振腔,在一个S 形的反馈中引入了不可逆的损失。隔离器通常是采用笨重的法拉第旋转和一个45°正交偏振器来抑制光的后向传输,而 THETA谐振腔通过间接地结构变实现了这种功能。

该设计在空腔中还包括了一个非线性放大镜保证了发射光谱的窄线宽,在1900nm-2050nm 波段范围内,产生的激光束能维持子瓦级的输出,同时线宽只有0.2nm。研究人员表示将继续优化激光器以实现高质量且稳定的激光输出。

2、俄罗斯科学家研制出最长光纤激光

俄罗斯科学院西伯利亚分院自动化和测电学研究所与英国伯明翰阿斯顿大学合作,研制出全球最长的光纤激光,有300公里。

学者们确认,要想让光纤在传输波长1.5微米的光波时损最少,300公里已是极限。该研究所副所长、光缆实验室主任谢尔盖·巴宾解释说,激光就像是两个平面之间的加强型环境,“一旦长度超过300公里,定波就无法形成,因为波形分散,无法抵达终点”。

学者们打算把该超长光纤激光用于远距离信息传输,届时就无需使用光学增强手段了。他还可应用于信息编码、提高建立在光学反射基础之上的感应系统的灵敏度及作用距离。

在弱涡流效应的研究方面,该激光也大有可为,因为过去只能通过流体动力系统和等离子体来研究。

该研究所于2002年开始从事光纤研究,但已取得了若干举世瞩目的重大成就。在纯光纤系统中改变激光震荡波长的项目中,他得到了全球最大的变距范围。

3、通快拿下JK Lasers 重点布局光纤激光器市场

4月15日,通快公司与GSI集团联合宣布:通快公司旗下的光纤激光器制造商SPI即将正式收购JKLasers公司,后者也是一家位于英国光纤激光器制造商,收购价格为3150万美元。

JKLasers公司位于英国Rugby,目前大约有100名员工,年销售额1760万美元。

JKLasers在激光行业拥有40年的经验,属于GSI集团旗下,近年连续推出了1000瓦至4000瓦的光纤激光器,另外还兼做Nd:YAGandCO2激光器。

 

4、弗劳恩霍夫研究所获NKT Photonics授权光纤激光技术

位于德国的欧洲最大的应用科学研究机构弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所(Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering)近日从丹麦的NKT Photonics公司获得光子晶体光纤(PCF)的技术授权。

本次合作巩固了两家长期合作者之间的科研合作关系。弗劳恩霍夫计划在2017年利用这项技术建立PCF设施,用于光学系统工程领域应用研究。NKT主要研发用于超连续谱光纤激光器的光子晶体光纤和超快光纤激光器。

“我们的目标是通过工业商品化推动PCF技术发展,我们相信建立伙伴和合作关系,是达到目标的最佳方法”NKT的CEO Jakob Skov表示,“在此领域拥有知识产权优势赋予了我们责任,我们想帮助他人利用我们的技术取得成功。此前我们已授权给几家公司,今天我们授权给弗劳恩霍夫,又踏出了重要一步。”

三、产品篇:

1、IPG公司GLPN-500-R荣获2015年度Prism Awards大奖

近日,由国际光学工程学会(SPIE)颁发的Prism大奖2015年最终名单公布。获奖产品包括移动医疗诊断和化学感应设备、开创性的可用于太阳能面板制造的激光器,以及新一代可实现下一代数据中心功能的接口。

一年一度的Prism奖项由SPIE主办、为光子学创新而设立,用于鼓励突破传统理念、解决问题并通过应用光基技术、光学和光子学来改善人类生活的光子学新产品和新发明。评选结果由国际专家评委会决定,并由来自光子学行业领袖公司的颁奖者揭晓。来自全球的340名行业领袖、分析师、技术家及发明家参加了该颁奖典礼。

工业类激光器获奖者:

IPG光子公司的GLPN-500-R,是一款500 W准连续绿光单模光纤激光器,将光纤激光器技术优势延伸至高功率的可见光领域,具有卓越的电光转换率和低成本。为从铜焊接到太阳能电池制造的工业生产应用提供了工业级的稳定性、卓越的光束质量和光纤传输的灵活性。

2、恩耐激光推出全新1kW光纤激光器

近日,nLIGHT恩耐激光公司正式推出一款全新1kW alta primeTM光纤激光器,其属于nLIGHT新一代激光器生产平台下的产品。nLIGHT alta primeTM,提供500W–1000W不同功率机型供客户选择,并且拥有领先的加工过程控制技术和产品性能,可应用于先进工业金属切割和焊接领域。

nLIGHT alta primeTM光纤激光器提供业内最快的调制频率和最短的脉冲上升下降时间,达到最好的工艺优化,拥有可编程的脉冲成形。除此之外,alta primeTM内置过程监控装置,能有效改善精密加工并且进行实时质量监控。 通过nLIGHT恩耐工业领先的光纤二极管和光纤技术,nLIGHT alta系列光纤激光器具有无与伦比的高性能,可靠性和正常运行时间。

3、相干公司推出一体化千瓦级光纤激光器

相干公司最新推出的统一平台化设计的千瓦级光纤激光器,将输出功率扩展至4 kW以上。新的Highlight FL系列激光器采用相干公司特有模块化构架,OEM用户和系统集成商可选择turn-key系统或购买模块来搭建个性化的光纤激光器系统。模块化的结构设计、专业的技术培训以及品质保证,可以让OEM用户在全球获得相干公司便捷的技术及售后支持,甚至可提供直接面向终端用户的售后服务。所有功率的HighLight FL均可选择光纤耦合输出,以适用于切割和焊接多种金属以及合金材料。HighLight FL系列激光器在业内率先实行“防反”保障设计,可实现更高量产和更低成本。

4、Rofin推出6KW光纤激光器

在今年的Euroblech展览会上ROFIN展出了两款输出功率达6千瓦的激光器,分别是CO2板条激光器DC060以及光纤激光器FL060,功率级别的增加极大地扩展了其在工业激光切割市场范围。

ROFIN光纤激光器高效、紧凑,由于采用模块化和坚固的设计,它可以满足恶劣工业环境的要求。FL060的标准版提供了一个外壳分离的设计便于光束管理,并提供多达四条光纤用于时间和能量共享。通过使用直径为100微米到1000微米的光纤,光束质量可以理想地适用于特定应用。因此,光纤激光器成为工业生产的通用工具。

由于直接集成到现有机器的概念,ROFIN展出了非常小巧的机型FL040C高功率光纤激光器。具有4千瓦的输出功率,FL040C采用50微米或100微米的光纤可作为多模激光器使用。通过使用直径不同的光纤,光束质量可以理想地适合于特定应用。紧凑型的ROFINFL系列光纤激光器可提供的输出功率在500--6000W之间。

5、科乃特推出低噪声超窄线宽单频光纤激光器

上海科乃特激光近期成功推出了第一代低噪声超窄线宽单频光纤激光器,适用领域包括声波传感系统,相干通信,激光雷达,石油天然气勘探,边界安全,测试计量,冷原子物理和科学研究等。

CoSF-1低噪声超窄线宽单频光纤激光器采用了上海科乃特激光的专利技术设计制作,"优化的行波腔"设计从根本上消除了线形腔中容易产生的"驻波"烧孔效应,独特设计的全光纤型超窄带滤波器用于选取和稳定单纵模,配合独有设计的单偏振控制装置进一步消除偏振烧孔效应,从而保证稳定的单频、单偏振输出。"优化的行波腔"技术使得更长的腔长成为可能,从而大幅度改善了光纤激光器的噪声,提升了输出功率。

CoSF-1低噪声超窄线宽单频光纤激光器拥有极其优秀的噪声性能,光谱的边摸抑制比超过55dB,自外差测试线宽结果可达1kHz,上海科乃特激光特有的单偏振控制技术保证了CoSF-1具有稳定的线偏振输出,输出偏振消光比高达25dB以上。

 

6、天元激光推出纳秒级MOPA光纤激光器产品

元激光(Skyeralaser)近期推出了纳秒级MOPA结构光纤激光器系列产品。该产品基于直接调制的半导体激光器种子源系统,具有卓越的光束质量及性能稳定性。

本产品采用自主研发脉冲波形控制及滤波系统对半导体激光器进行直接调制实现脉宽可调的种子源系统,利用MOPA结构对种子源系统进行多级放大实现10W、20W平均功率输出。该系统实现脉冲宽度和重复频率独立可调,脉冲宽度范围5~200ns,在标准系统内置10款可调脉宽值,重复频率范围20~500KHz。放大后输出脉冲光峰值功率可达10KW。

该产品采用25针通用插头,适合OEM,具有极大的工作参数调节空间,独特的抗高反设计使激光器可在高反材料长时间连续加工,是精密加工、划线、太阳能/光伏领域、钻孔及打标等应用领域的理想选择。

7、Nufern推出两款新型铒镱共掺光纤

Nufern公司宣布扩展其EyeSAFE 光纤产品线,推出两款新的铒镱共掺光纤。这些新的产品提供了最先进的铒镱共掺玻璃组分技术以及Nufern专有的NuCOAT-FA低折射率涂覆层技术。

EyeSAFE 产品系列包含用于1550工作波段的铒镱共掺光纤,以及2um应用的掺铥和掺钬光纤。这些最新的双包层铒镱共掺光纤对寄生的1.0um波段ASE进行了优化抑制,保证了最高的泵浦效率和输出功率。Nufern新的单模铒镱共掺光纤具有6um的光纤芯径,是应用于低功率光纤放大器的理想光纤。新的多模铒镱共掺光纤具有10um芯径和0.21的数值孔径,可以实现超过10W的输出功率以及极低的1.0um的ASE。

四、激光武器篇:

1、洛马公司研60千瓦激光武器

洛马公司正在大力投资激光器及制造技术,为美国陆军制造车载60千瓦激光武器系统,还可能将激光武器装备到F-35战斗机上。

目前洛马公司生产的60千瓦激光武器系统将安装在美国陆军的战术车辆上。这种激光武器采用洛马公司最新的模块化光纤激光器,系统组装更加灵活,有潜力扩展至120千瓦。

“事实上,这算得上是一种革命性技术,其优势在于以光速投送力量,作战灵活、精确、交战成本低。”洛马公司任务系统与训练分部,激光传感器和系统经理伊恩·马凯尼称。

洛马公司正在研发新的激光器系统,以期未来可以安装在不同的战术平台,如F-35战斗机机。由于大量采用了商业技术,新型激光武器系统较传统武器的经济性更好。

据悉,绝大多数甚至所有作战人员都承认对激光武器有很大兴趣,激光武器是对抗集群威胁(如大量低成本的无人机、小艇等)的理想武器,但相关人员也承认,在某些情况下,常规武器的作战效能更好。

2、波音研制10千瓦激光武器

波音公司正在为美国海军陆战队研发一种紧凑型激光武器,其特别适合攻击来袭炮弹、低速飞机、无人机等移动空中目标,甚至可以“横扫战场,摧毁光束所接触的一切”。

据波音公司代表介绍,该系统被称为“紧凑型激光武器系统”(CompactLWS),可以拆分为四个组成部分,每个部分可由1-2名陆战队员携带。这4个部分分别为:电池(电源)、水冷装置、商用光纤激光器、升级版光束指向器(比上一代减重40%)。

该系统总重约650磅(约合295千克),可由一个8-12人的陆战分队运输携带。LWS系统各部分可在15分钟内组装完毕,输出功率最高可达10千瓦,并能够根据任务需要调节输出功率,从而实现获取、跟踪、识别或摧毁目标的功能,其射程可达22英里。这种武器特别适合跟踪和攻击移动的空中目标,如来袭炮弹、低速飞机和无人机等。

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