長(zhǎng)飛特種器件系列之四—光纖激光器用高功率光纖光柵

  ICCSZ訊 隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，光纖激光器已經(jīng)成為最熱門的研究領(lǐng)域之一，也成了工業(yè)加工的翹楚，市場(chǎng)容量逐年攀升。目前國(guó)產(chǎn)中低功率光纖激光器在工業(yè)光纖激光器市場(chǎng)表現(xiàn)出眾，占有率超過(guò)了85%。但是由于泵源芯片和光纖光柵等關(guān)鍵器件仍面臨技術(shù)瓶頸，長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了國(guó)產(chǎn)中高功率光纖激光器市場(chǎng)的發(fā)展。

  圖1 典型高功率光纖激光器結(jié)構(gòu)圖

  光纖光柵利用光纖材料的光敏性，通過(guò)紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫入纖芯。光纖光柵與增益光纖組成諧振腔，在高功率光纖激光器中起到選模濾頻的作用，光纖光柵一方面將信號(hào)光束縛在諧振腔內(nèi)進(jìn)行正反饋，一方面通過(guò)低反光柵端輸出有效的信號(hào)激光。如圖1所示，在高功率光纖激光器中有兩種光纖光柵：一種是高反光纖光柵，典型光柵峰值反射率在99.5%以上;另外一種是低反光纖光柵，也稱輸出光柵，典型光柵峰值反射率在10%左右。目前，國(guó)產(chǎn)低功率光柵已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，然而高功率光纖光柵由于其原料光纖尺寸較大以及高功率耐受性的限制，高功率光纖光柵的光纖增敏、光柵寫入、光纖無(wú)損化處理以及高功率封裝設(shè)計(jì)這些核心工藝點(diǎn)是高功率光纖光柵國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)障礙。

  圖2 長(zhǎng)飛千瓦級(jí)高功率光纖光柵產(chǎn)品

  多年來(lái)，長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)飛公司”)一直致力激光器用光纖光柵的國(guó)產(chǎn)化研究，在引進(jìn)吸收香港理工大學(xué)的光柵刻寫技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新，已逐步建立了248nm、266nm以及飛秒直寫等光柵刻寫平臺(tái)和技術(shù)。產(chǎn)品包含光柵反射器、1μm泵浦光柵以及980nm泵浦光柵，覆蓋了光通信、工業(yè)激光及光纖傳感等多個(gè)領(lǐng)域。

  經(jīng)過(guò)多年光纖光柵的技術(shù)積累，長(zhǎng)飛公司實(shí)現(xiàn)了大芯徑光纖的光纖增敏、無(wú)損化光纖處理等技術(shù)的突破，保證了光纖光柵在制備過(guò)程中引入的附加損耗最小化，穩(wěn)定高效的光柵刻寫平臺(tái)又保證了光柵產(chǎn)品的一致性。長(zhǎng)飛公司基于市場(chǎng)應(yīng)用，采用無(wú)源大模場(chǎng)20/400雙包層光纖，成功研制出高功率光纖光柵(如圖2所示)。光柵采用高功率封裝結(jié)構(gòu)，提升了光柵區(qū)域的散熱效率，確保了光柵在高功率條件下的可靠性能。其基本型號(hào)見(jiàn)表1：

  長(zhǎng)飛公司通過(guò)改變光纖光柵的寫入長(zhǎng)度和刻寫時(shí)間，不僅能夠?qū)鈻艆?shù)(光纖光柵的反射率、帶寬、中心波長(zhǎng))進(jìn)行精確控制，而且可以對(duì)不同的需求進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化,其散熱結(jié)構(gòu)部分尺寸也可根據(jù)客戶需求進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。圖3為長(zhǎng)飛公司典型的光纖光柵的測(cè)試圖譜。

  圖3 長(zhǎng)飛公司高功率光纖光柵光學(xué)參數(shù)圖譜

  高功率光纖光柵在高功率條件下的溫度穩(wěn)定性是市場(chǎng)應(yīng)用關(guān)注的重點(diǎn)。我們對(duì)無(wú)源20/400雙包層的高功率光纖光柵在1000W級(jí)的光纖激光器中工作的散熱效率進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試中將光柵接入激光器，記錄不同電流下的輸出功率和高功率光柵區(qū)域的溫度，在100%功率時(shí)停留120分鐘，記錄輸出功率以及光纖光柵柵區(qū)溫度。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

  圖4 長(zhǎng)飛高功率光纖光柵信號(hào)光(1080nm)測(cè)試結(jié)果

  測(cè)試結(jié)果顯示，長(zhǎng)飛公司高功率光纖光柵在輸出1100W的1080nm波段的激光能量時(shí)，光纖光柵柵區(qū)溫度低于36℃，平均溫升系數(shù)(相對(duì)于1080nm信號(hào)光)低于0.015W/℃，在高功率激光器中表現(xiàn)出了良好的溫升特性，使用穩(wěn)定可靠,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

  隨著高功率光纖激光器產(chǎn)品格局的多樣化發(fā)展，基于14/250以及25/400等雙包層摻鐿光纖的光纖激光器也將逐漸被廣泛應(yīng)用，長(zhǎng)飛公司緊跟市場(chǎng)腳步，提供基于優(yōu)質(zhì)可靠的特種光纖、光纖光柵等產(chǎn)品的整體解決方案。