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全电流波长锁定——长光华芯878.6nm光纤耦合模块

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【摘要】:
近几年,激光行业的发展如日中天,越来越多的传统行业加入到激光加工的洪流,激光加工市场的需求增长十分显著,其中,固体激光器以其脉宽窄,输出能量大,峰值功率高,材料吸收好等特点,在精细微加工和特殊材料加工领域表现出色,受到市场的广泛好评与认可。
 
   在《长光华芯泵浦源助推固体激光器发展》一文中,我们谈到了固体激光的应用发展,并简单介绍了长光华芯的固体激光器泵浦源产品,文中提到,长光华芯固体激光泵浦源产品具有输出能量平顶分布、全电流波长锁定(锁波长产品)的特点,那么这些特点对激光器的工作特性有什么影响?能带来哪些益处呢?本文将围绕这两个问题进行详细的介绍说明。
 
全电流波长锁定
 
  长光华芯固体泵浦源模块承诺在客户端的全应用电流下实现波长锁定,锁定效果(pib)>95%。
 
   前文中已提到,Nd:YVO4在878.6波段光泵浦下量子效率高,产生的热量小。这个特性尤其对高功率固体激光器意义重大。但是,Nd:YVO4晶体在该波段的吸收谱宽较窄,TEC控温已无法满足对波长的控制需求。这就需要对泵浦源进行波长锁定以减小温度对波长的影响。
 
   但是,受限于布拉格光栅的锁定谱宽大小。泵浦源本证波长随着电流增加而不断升高,这就限制了波长锁定的电流点数量。
图1  Nd:YVO4晶体的吸收曲线
   长光华芯凭借自主芯片生产及封装工艺的优势,满足芯片波长自由组合、低热阻及高可靠性等波长全电流锁定的关键需求。
 
   目前,长光华芯可实现模块在阈值电流到工作电流下的全波长锁定,锁定后波长电流漂移系数为0.015-0.02nm/A,光谱宽度<1nm。该锁定特性保证了在设备启动和调试过程中,半导体激光器泵源的中心波长及线宽保持不变,产品不受环境温度的影响,为应用带来了诸多的优势。
 
   由于在阈值电流附近长光华芯模块就能完成良好的波长锁定,在双端泵浦固体激光器应用中,避免了常见的在开机或低电流工作条件下由于波长未锁定未被晶体吸收造成的前后两向泵浦源模块对打引起的不可逆损坏问题,这为大功率固体激光器提供了良好的双端泵浦解决方案。同时,也由于全波长锁定特性,长光华芯模块可以在波长保持锁定的状态下实现零到满功率的连续调节,对终端精密加工应用来说提供更多的便利。
 
   以长光华芯878.6-120W产品为例,工作电流10A,锁定效果如下:
图2  878.6nm 120W模块全电流锁定实测数据
   实测数据显示,长光华芯878.6nm 120W模块在阈值电流到工作电流范围内波长锁定,FMWH<0.5nm,PIB>99.5%。
 
输出能量平顶分布
 
   光束平顶分布就是一类光强分布方式,是指激光光束在圆形区域内光通量几乎一致,光斑内能量密度趋于均匀,光斑状态如图3。目前有关泵浦光对激光器工作特性的研究及实际应用表明,泵浦光的光强分布是对激光器的泵浦阈值、斜率效率、输出功率等泵浦效果的一个不可忽略的影响因素。
图3  光斑状态
   现有理论研究成果表明:平顶光束配合光斑尺寸的调节,可对激光器的泵浦阈值、斜率效率等产生积极的影响,同时在提高吸收效率、降低工作物质热效应等方面起到积极作用。
 
   平顶分布的泵源光束耦合到掺杂晶体内部时,泵源能量在截面方向被晶体均匀吸收。相比于高斯光束光束能量集中在中心区域,平顶分布泵浦下晶体内的热分布比较均匀,热梯度较小,从而降低固体激光器的热透镜效应,改善固体激光器的输出光束质量,提高光光转换效率。另外,有理论研究成果表明平顶光束配合光斑尺寸的调节,可对激光器的泵浦阈值、斜率效率等产生积极的影响。
 
   长光华芯用于固体激光器泵浦的光纤耦合模块通过光学系统组合及光路的优化调整可实现近乎平顶分布的光束输出,同时其他各项产品指标已达同类先进水平,具备该特性的长光华芯固体泵浦源模块在客户端的实际应用中已取得优异的效果反馈。
图5  长光华芯产品实测输出光斑能量分布情况
   长光华芯的808nm与878.6nm光纤耦合固体激光器泵浦源基于长光华芯自主研发并实现量产的单管芯片,通过精密的光学封装和严苛的工艺过程控制,实现稳定可靠的光纤耦合输出:
 
(1)808nm 400μm芯径输出功率25W-40W,光谱宽度<3nm,波长偏差控制在±2.5nm;
 
(2)878.6nm 200/400/600μm芯径输出功率40W-175W,光谱宽度<0.5nm,并可实现±0.5nm波长锁定(VBG);
 
   以上产品均具有长寿命,转换效率高,体积小,性能稳定等特点,经过近两年在客户处的使用示范验证,产品性能稳定可靠,光光转换效率高,采用自主研发并量产的单管芯片,波长控制优异,具有高性价比的明显优势,是固体激光器和固体皮秒激光器的理想泵浦源。
 
 
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