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本文摘要:自1960年首台红宝石激光器问世以来,激光技术经历了多次变革,目前已沦为覆盖面积工业加工、通信、医疗、军事等多个领域的最重要技术。而近年来尤为人熟悉的乃是光纤激光器。 光纤激光器市场概况众所周知,按工作介质有所不同,可将激光器分成液体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器、光纤激光器和自由电子激光器6种。

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自1960年首台红宝石激光器问世以来,激光技术经历了多次变革,目前已沦为覆盖面积工业加工、通信、医疗、军事等多个领域的最重要技术。而近年来尤为人熟悉的乃是光纤激光器。

光纤激光器市场概况众所周知,按工作介质有所不同,可将激光器分成液体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器、光纤激光器和自由电子激光器6种。与其他激光器比起,光纤激光器享有结构非常简单、切换效率高、光束质量好、确保成本低、风扇性能好等优点,因此,目前光纤激光器早已沦为金属切割成、焊等传统工业生产领域的主流光源。

据OFweek产业研究中心数据表明,2018年全球激光器市场规模约137.54亿美元,同比快速增长5.3%;其中光纤激光器占到比51.4%,同比快速增长6.1%。由于今年不受经济环境波动的影响,行业发展有所上升,预计2019年光纤激光器市场规模增长速度将与去年基本持平,在6.5%以内。尽管光纤激光器是当前激光器市场里的仅次于玩家,但近年来中国光纤激光器市场同质化竞争相当严重,找寻差异化优势出了各企业推崇的课题。

我们今天要辩论的主角,乃是除了具备激光本身较好的单色性和方向性外,还有着普通激光器难以达到的长相干长度、较宽谱线宽度优点的单频光纤激光器。何为单频光纤激光器?所谓单频激光器,即单纵模激光器,是一种基于半导体激光器泵浦,稀土掺入光纤作为增益介质,融合比较简单的控制技术的高精密单纵模超窄线宽激光光源。

这种激光器能获取较低的振幅噪声和比较强度噪声,极窄的频谱线宽和宽相干长度。单频光纤激光器图片来源:上海瀚宇单频光纤激光器最先经常出现于20世纪90年代,经过近30年的发展已获得了长足进步。与材料加工领域用的高功率光纤激光器有所不同,这种坐落于光纤激光市场另一赛道上的单频激光器,因其独有的性质和特点,具有截然不同的应用于场景。由于单频激光器线相间、噪声较低,这意味著它对高精密的震动更为脆弱,且较长的相干长度保证了长距离传感的精度,因此单频激光器在高精度/高灵敏度/远距离传感系统、下一代通信技术、相干性技术、遥感技术、相干性激光雷达等多个领域具有引人注目优势。

单频激光器四大关键性能指标单频光纤激光器的主要性能指标还包括振幅噪声、比较强度噪声(RIN)、线宽、波长稳定性和频率飘移。所谓振幅噪声,即单频激光器所放激光的频谱谱线仍然是单一的线条,而是有一定的宽度,这个宽度的大小即体现单频激光器振幅噪声的强弱。

振幅噪声的具体表现为:以观测点为基准,光波随着时间变化在振幅上随机平缓或延后。振幅噪声是取决于单频激光器最重要的参数之一,对单频激光的线宽具有最重要影响。比较强度噪声是指激光器的输入平均功率和某个频率下的噪声的比值。

在实际应用于中,单频激光器的比较强度噪声往往不会作为最重要的噪声源,影响相干性探测系统(如倒数工作的相干性多普勒测风激光雷达、振幅脆弱型OTDR系统调制系统)的本底噪声水平。单频激光器的线宽是一种频域的概念,可以解读为频谱的谱线宽度。从单频激光器的振幅噪声叙述中可以得出结论,振幅噪声需要直观体现单频激光器的线宽。

对单频激光器的线宽测试一般来说通过延时自外差非均衡M-Z干涉仪的方式展开,其线宽测试和分数时间(或者说延时光纤长度)涉及。波长稳定性和频率飘移是单频激光器性能的直观反映。由于单频光纤激光器具备较长的谐振腔长度,使用了对温度和突发事件及振动脆弱的关键器件-光纤光栅,其波长稳定性或者频率飘移是一种挑战。

四种主流单频光纤激光器优缺点对比据OFweek激光网理解,目前主流的单频光纤激光器主要分成较短直腔型和环形腔型两大类。其中,较短直腔结构的单频光纤激光器还包括产于对系统(DFB)型和产于布拉格光线(DBR)型;而环形腔结构的单频光纤激光器构型较多,目前较为成熟期需要商用的技术还包括“虚拟世界环形腔”技术(以美国ObitsLightwave公司为代表)以及“优化行波腔”技术(以上海瀚宇为代表)两种。产于对系统(DFB)型单频光纤激光器,优点是结构非常简单,不易构建单纵模输入;抗干扰能力强劲;成本便宜,适合于批量应用于。

其核心技术是在稀土掺入的有源光纤纤芯内部刻光波型光纤光栅,两段均匀分布周期的光纤布拉格光栅之间有一定的距离,用来构建特定的光波,例如1/4波长或者1/2波长。通过泵浦光的鼓舞,提供单频激光的输入。光波型有源光纤光栅即作为谐振腔的增益介质,又同时作为超强窄带的滤波器挑选单纵模输入。

DFB型单频光纤激光器原理图图片来源:上海瀚宇而这种方案缺点也很显著,还包括1/4波长光波型光纤光栅拒绝技术难度低、必须自由选择适合的稀土掺入光纤、且光波光栅PCB拒绝较高等。主要厂家还包括丹麦NKTPhotonics、法国IxBlue、中科院半导体所、上海光机所、山东省科学院激光研究所、上海瀚宇(上海科乃特激光)。产于布拉格光线(DBR)型单频光纤激光器,通过低掺入浓度的磷酸盐玻璃光纤构建较高增益,较短直腔设计可以构建较高功率输入。但较难构建高强度的熔接,谐振腔可靠性劣,且对选频的光栅拒绝较高。

此外,较短直腔制作艰难,无法适应环境严苛的工作环境。主要厂家还包括NPPhotonics、AdvaluePhotonics、华南理工大学等。

虚拟世界环形腔技术又称作“填充腔技术”,不具备线形腔的基本结构,由光纤光栅包含直腔的腔镜,本质上依然是较短直腔结构,腔宽要求的FSR仍然是提供单纵模的关键,拒绝腔宽较短。虚拟世界环形腔技术融合了较短直腔和环形腔的思想,在驻波腔内构建了行波运转,从技术看作归属于目前来说较为杰出的一项技术,但是技术工艺构建可玩性大,缺乏可拷贝性且成本便宜。

代表企业为美国ObitsLightwave。优化行波腔技术特点在于,在避免驻波空间烧孔效应的同时,通过宽腔宽的设计使较长的增益光纤充份吸取泵浦光,构建高功率输入。同时,行波运转时能大幅度降低光纤激光器的比较强度噪声和振幅噪声,构建<1kHz的超窄线宽,并通过仅有光纤型窄带滤波器流经挑选单纵模输入,宽饱和状态吸收体平稳单纵模运转。此外,单偏振掌控避免偏振烧孔效应,构建平稳的单偏振输入,偏振消光于多约25dB以上。

典型代表为上海瀚宇的CoSF-R型系列产品。各类单频激光器关键性能指标对比前文提及了单频光纤激光器的四个关键性能指标,那么各类单频激光器在四个关键指标上又有怎样的展现出呢?影响单频激光器振幅噪声的因素很多,通俗的角度来说,单频激光器内的增益介质的长度和形状,光波导的细致程度,谐振腔的长短需要客观体现单频光纤激光器振幅噪声的强弱。单频光纤激光器和半导体激光器比起,谐振腔长度要长的多,以较短直腔结构的产于对系统(DFB)型单频光纤激光器为事例,谐振腔长度约为2-10cm,而单频半导体激光器的谐振腔约为百um到mm量级,而上海瀚宇的CoSF-R“优化行波腔型”的单频光纤激光器腔宽低约10米以上,具备极低的振幅噪声。要求单频激光器在中低频段的比较强度噪声水平的指标是驰豫波动峰值。

单频半导体激光器归功于有源增益介质和谐振腔的包含,电极和增益介质的“重合”程度低,展现极为杰出的比较强度噪声(RIN)性能,驰豫波动峰一般来说高达GHz量级。而光纤激光器本质上归属于端面泵浦,有源介质在长度上受到的泵浦鼓舞不均匀分布,同时,因为谐振腔较长而具备驰豫波动峰值频率较低的特性,产于对系统(DFB)型单频光纤激光器的驰豫波动峰值频率一般来说在几百kHz到1MHz附近。单频光纤激光器因为驰豫波动峰值频率较低,必须对单频光纤激光器的比较强度噪声(RIN)展开诱导,经典的手段还包括:电流负反馈型,饱和状态缩放,外腔流经瞄准等。

上海瀚宇研制的CoSF-D型产于对系统(DFB)型单频光纤激光器经过比较强度噪声(RIN)诱导,获得了较好的结果,如下图右图。图片来源:上海瀚宇从图中可见,经过诱导的CoSF-D型产于对系统(DFB)型单频光纤激光器在低频段的比较强度噪声高于-145dBc/Hz,驰豫波动峰值高于-140dBc/Hz,低频段的比较强度噪声高于-150dBc/Hz,相似于散粒噪声水平。

可以说道,经过诱导的CoSF-D型产于对系统(DFB)型单频光纤激光器比较强度噪声水平早已高于单频半导体激光器,同时兼备了低振幅噪声和较低比较强度噪声的特点,可展开平稳的单纵模运转,单频、单偏振、单纵模输入。前文提及,线宽可以解读为频谱的谱线宽度,而振幅噪声需要直观体现单频激光器的线宽。与单频半导体激光器比起,单频光纤激光器具备更加较低的振幅噪声,因此单频光纤激光器的本征线宽远比单频半导体激光器较宽,这是由单频激光器的谐振腔构型,波导结构以及谐振腔长度要求的。

目前单频半导体激光器还没经常出现线宽高于1kHz的产品,而NKTPhotonics公司的KoherasE15型DFB单频光纤激光器标称线宽<0.1kHz,本征线宽只有数十Hz;上海瀚宇的CoSF-D-ER型产于对系统(DFB)单频光纤激光器的本征线宽只有几十Hz,和NKT公司的E15十分相似,皆相比之下高于单频半导体激光器。由于单频光纤激光器具备较长的谐振腔长度,而关键器件-光纤光栅又对温度和振动十分脆弱,这对波长稳定性和频率飘移的掌控是一种挑战。

据报,上海瀚宇的CoSF-D系列产于对系统(DFB)单频光纤激光器通过合理设计激光器中有源光波光纤光栅的PCB,细致掌控TEC电路,使得波长稳定性获得较好的掌控,波长稳定性在10pm左右。此外,为了需要符合主动波长瞄准和对频率飘移有严苛拒绝的应用于,CoSF-D型产于对系统(DFB)单频光纤激光器的有源光波光纤光栅可以加装在压电陶瓷换能器(PZT)上,用作调节单频光纤激光器的腔长,构建对单频光纤激光器的波长瞄准或者较慢调制。CoSF-D型产于对系统(DFB)单频光纤激光器挑选的PZT需要在200V的电压驱动情况下,构建相似20GHz的波长回声范围,较慢波长调制的线性号召频率平均20kHz,需要很好符合诸如相同差频瞄准,外流经瞄准稳频的市场需求。

单频激光器市场现状及应用于前景经历了几十年的发展后,单频光纤激光器技术早已发展比较成熟期且完备,作为一种最重要的高精密光源,单频光纤激光器的应用领域十分普遍。尽管与主流材料加工市场的大功率光纤激光器比起,单频激光器市场体量较小,但凭借独有的性能以及类似领域的广泛应用,将沦为激光技术队伍里的最重要补足。目前,单频激光器主要用作分布式光纤声波传感系统、周界安全性、水听得、用作相干性激光雷达系统构建高精度的光学、速度和距离的遥测观测。

此外,石油和天然气勘探系统、管道监控、气体泄漏检测、冻原子物理、空间激光通信以及微波光子学等领域,单频激光器也将充分发挥最重要起到。


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