激光加工技术 光纤通信系统中的激光器和光放大器

1激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器27.1激光加工的一般原理1.激光加工大都基于光对非透明介质的热作用，也即吸收光能引起的热效应。因此激光光束特性、材料对光的吸收作用以及导热性等有重大影响；1）光束特性例：一个CO2激光器，设聚焦前透镜面上光斑尺寸，有效截面输出功率为200W，透镜焦距f＝10mm，求透镜后焦点处光斑有效截面内的平均功率密度？mm102）材料的反射、吸收和导热性※光波照射在不透明的物体表面时，一部分被反射，一部分被吸收；不同材料的反射率和波长有密切的关系；2222)1()1(kkR※设入射到材料表面的光强为I0，材料吸收系数为α，则进入到材料内部距表面距离为x处的光强为xeII037.1激光加工的一般原理KPT'02）材料的反射、吸收和导热性2.激光加工举例1）激光焊接2）激光打孔3）激光切割※激光正入射，在光点中央的温度上升值ΔT与被吸收的光功率、导热系数之间的关系4一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。其优点：7.2激光焊接1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。2）在激光焊接过程中无机械接触,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。二、图7-19所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。图7-19阴极芯的激光焊接设备原理图1:光束分束器；2:聚焦透镜；3：阴极芯57.2激光焊接三、激光热导焊1）激光热导焊的原理2）激光热导焊的工艺以及部分参数热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。※激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊※激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图7－20图7-20激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系67.2激光焊接三、激光热导焊2）激光热导焊的工艺以及部分参数※脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等焊接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之则小。因此，要根据激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲宽度。※离焦量对焊接质量的影响：因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方※脉冲激光热导焊的脉冲波形：脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响77.2激光焊接四、激光深熔焊1）激光深熔焊的原理2）激光深熔焊工艺参数3）激光焊接过程中的几种效应五、激光焊的优点当激光功率密度达到106—107W／cm2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图7-21），孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。※临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界功率密度图7-21深熔焊小孔示意图※激光深熔焊的熔深：激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数。87.3激光打孔一、激光打孔原理激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘（图7-13）。二、激光打孔工艺参数的影响※脉冲宽度对打孔的影响：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。图7-13激光打孔机的基本结构示意图97.3激光打孔二、激光打孔工艺参数的影响※激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（图7-15）。图7-15离焦量对打孔质量的影响107.3激光打孔二、激光打孔工艺参数的影响※被加工材料对打孔的影响※脉冲激光的重复频率对打孔的影响用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。117.4激光切割一、激光切割的原理与特点1、切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm）使焦点处达到很高功率密度（可超过106W/cm2）。如图7-17所示为激光切割头的结构，除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。2、激光切割的特点：图7-17激光切割头的结构示意图127.4激光切割二、激光切割分类及其机理※激光功率:激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。三、激光切割的工艺参数及其规律※汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ/cm2左右，是无熔化材料的切割方式※熔化切割:激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右※氧助熔化切割:金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。※切割速度:在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。137.4激光切割※喷嘴：喷嘴是影响激光切割质量和效率的—个重要部件。激光切割一般采用同轴(气流与光轴同心)喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距离必须保持不变。三、激光切割的工艺参数及其规律四、工业材料的激光切割：金属材料的激光切割和非金属材料的激光切割※气体的压力：在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切割速度最快。随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。※光束在质量、透镜焦距和离焦量：激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须保持不变，一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。141.光纤通信对半导体激光器光源的要求9.1.1半导体激光器半导体激光器是激光器中的一个大家族。它与固体激光器、气体激光器以及其它类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。图9-1给出了光发射端机的工作原理。2.作为通信光源的半导体激光器半导体激光器是光纤通信用的主要光源，由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。图9-1光发射端机组成方框图159.1.1半导体激光器2.作为通信光源的半导体激光器(1)法布里－珀罗激光器法布里－珀罗激光器（FP-LD）是最常见、最普通的半导体激光器，它的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟。FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用于调制速度小于622Mbit/s的光纤通信系统。(2)分布反馈半导体激光器#实现动态单纵模工作的最有效的方法之一就是在半导体内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈布拉格半导体激光器（DFB-LD）的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益，因此其单色性优于一般的FP-LD。图9-2DFB-LD结构示意图#在DFB-LD制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤，于是又提出了图9-2所示的DFB-LD结构169.1.1半导体激光器2.作为通信光源的半导体激光器(3)分布布拉格反射半导体激光器考虑到布拉格光栅反射性好的特点，将光栅置于激光器谐振腔的两侧或一侧，增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜，这样就构成了DBR-LD。其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导体激光器，其原理性结构如图9-3。图9-3三电极DBR-LD结构示意图179.1.1半导体激光器2.作为通信光源的半导体激光器(4)垂直腔面发射激光器光数据传输和交换的多通道往往需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一个很好的选择。它与边发射激光器最大的不同点是：出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。图9-4为其典型结构图，其上下分别为分布布拉格反射（DBR）介质反射镜，中间（InGaAsN）为量子阱有源区，氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由P、N电极注入，光由箭头方向发出。图9-4VCSEL的典型结构示意图189.1.2光纤激光器1.光纤激光器的基本原理及其特点(1)基本原理光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。图9-5光纤激光器原理示意图以纵向泵浦的光纤激光器（如图9-5）为例说明光纤激光器的基本原理(2)特点耦合效率高基于激光介质本身就是导波介质；光纤纤芯很细，纤内易形成高功率密度，可方便地与光纤传输系统高效连接。由于光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，因此光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阈值，能在不加强制冷却的情况下连续工作。又由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可以设计得相当小巧灵活，利于光纤通信系统的应用，同时可借助光纤方向耦合器构成各种柔性谐振腔，使激光器的结构更加紧凑、稳定。光纤还具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的色散性和稳定性。199.1.2光纤激光器2.光纤激光器的分类及应用(1)稀土类掺杂光纤激光器光纤激光器种类很多，如按光纤结构可分为：单包层光纤激光器和双包层光纤激光器；按掺杂元素可分为：掺铒、钕、镨、铥、镱、钬等15种；图9-6受激拉曼散射光纤激光器示意图稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有：铒（Er3+）、钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、铥(Tm3+)、镱(Yd3+)。(2)光纤受激拉曼散射激光器这类激光器与掺杂光纤激光器相比具有更高的饱和功率，且没有泵浦源限制，在光纤传感、波分复用（WDM）及相干光通信系统中有着重要应用。一种简单的全光纤受激拉曼散射激光器见图9-6所示，这是一种单向环形行波腔，耦合器的光强耦合系数为K。一般典型的受激拉曼分子主要有GeO2、SiO2、P2O5。209.1.2光纤激光器2.光纤激光器的分类及应用(3)光纤光栅激光器图9-7DBR光纤光栅激光器基本结构示意图DBR光纤激光器基本结构如图9-7所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。DFB光纤光栅激光器基本结构如图9-8所示，在稀土掺杂光纤上直接写入的光栅构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。图9-8DFB光纤光栅激光器基本结构示意图219.1.3光放大器1.光放大器是放大光信号的器件，它在光纤通信领域中的主要功能有图9-9光放大器在干线光纤通信系统中的应用示意图2.图9-9为光放大器在干线光纤系统中的应用示意图。图中（a）为无中继系统，图（b）中采用光放大器作功率放大器和接收机前置放大器图（c）为线内多中继系统。图（d）中用光放大器作为在线中继放大器或1R（仅有整形功能）中继器（1）光功率提升放大。将光放大器置于光发射机前端，以提高入纤的光功率。（2）在线中继放大。在光纤通信系统中取代现