高功率脉冲光纤激光器的系列关键技术及其设备研究可行性报告.doc

2009年度浙江省科技计划重大科技专项项目
高功率脉冲光纤激光器的系列关键技术及其设备研究
可行性研究报告
重大科技专项名称:重大应用电子技术和新型电子元器件
(一)光电子集成器件的研发
项目名称:高功率脉冲光纤激光器的系列关键技术及其设备研究
申请日期: 2008年05月
项目可行性报告
(一)立项的背景和意义。
激光技术的发展自20世纪六十年代激光问世以来,已经极大地改变了现代人的思想观念和生活质量。大功率的光纤激光作为一种特殊的光源,近几年来其发展势头之猛,已经远远超出人们当初的想象。本项目将针对高功率脉冲光纤激光器在二个主要方面的应用,即作为精密微加工应用的激光光源和激光频率变换系统的泵浦光源开展工作,研制高品质的高功率脉冲光纤激光器,特别是线偏振输出的高功率脉冲光纤激光器。
随着科学的发展和社会的进步,高效、环保、精密的绿色加工正在从概念走向现实。作为一种蓬勃发展的高新技术,激光加工技术近年来已经在各方面显示绿色加工特有的优势,如采用高功率二氧化碳激光器的金属切割、焊接,采用高功率Nd:YAG激光器的钻孔、刻划、打标等等,都在所应用领域极大地提高了生产效率和产品的质量,降低了工作强度,减少了环境污染。典型的如,大家非常熟悉的原先采用传统手工刻制的公司和私人印章,其加工工艺已经毫无例外地被激光雕刻机加工所取代,其加工的时间也从原来的几天缩短到目前的不到半小时。国际上一些著名的飞机和汽车生产企业,如波音、空客、大众、奔驰等公司都已经在生产中引入了激光加工生产线,作为典型例子,空客公司的正在试飞、即将投入正式运营的空客A380,正是由于其有效地采用了激光加工技术,提高了加工的精度,因此才能在进一步提高飞机机械强度的同时,大幅度地减少飞机本身的重量,从而为大幅度提高载客量奠定了基础。因为机体体积的显著增大,毫无疑问将使得对机身强度和重量的要求大幅度提高,很难想象,如果没有激光加工技术的广泛应用,空客A380能否实现从原来的载客300人左右提高到目前的580人。
与一般传统的加工用高功率激光器相比,近二年在国际上突飞猛进的光纤激光器具有独特的优点。由于单模光纤独特的光束限制作用,使得光纤激光的光束质量并不会由于激光功率的增加而降低,光纤本身特有的大表面积,又使得严重影响常规固体激光器光束质量的热畸变问题在光纤激光器中也不再是一个问题。非常清楚的是,光束质量的提高,使得激光能被光学系统聚焦到接近于衍射极限的极小斑点内,这使得高质量的精密加工成为可能。由于热控问题的简化,高功率的光纤激光器在结构上可以得到很大的简化,整体成本大幅降低,这为光纤激光器进入实际生产过程创造了非常有利的条件。举个典型的例子,如果采用常规的Nd:YAG或Nd:YVO4激光器,60W的单横模输出,光束质量因子(M2),价格约为300万人民币,而采用光纤激光器,同样的技术指标,市场售价不到70万。同样,对于20W的高光束质量的固体激光器,价格不会低于35万人民币(此时,较低的价格只能保证光束质量在低于10W时接近单模),而同样功率的光纤激光器的价格低于10万人民币。正因为如此,高的性价比使得光纤激光在绝大多数的领域正在取代传统的常规灯泵和半导体泵浦的固体激光器。
长期以来,高功率的脉冲紫外激光器是精密激光微加工的首选光源。紫外激光加工相对应的激光处理表面可以具有特殊的完整性与光滑度,这主要源于紫外激光在与物质作用中,其过程是直接将分子撕裂、而并非依赖热作用。传统的灯泵或半导体泵浦的固体激光器,为实现高功率的优质基频光输出,需要极为复杂的热耗控制和热透镜畸变补偿系统,这使得整个激光器在结构上相当复杂,稳定性也成为问题。大功率的紫外激光器因此价格昂贵,这也制约了其在各个领域的广泛应用。若能采用高功率的脉冲光纤激光器作为泵源,上述的紫外激光实现起来就要容易得多
,其应用得前景极其广大。
浙江省作为制造业的大省,国有和民营的制造企业数量众多,尤其在浙江的温州、台州和金华,民营的制造企业已经成为当地经济的支柱。这些企业目前普遍存在的问题是,技术含量相对较低,产品的利润率较低,很多企业的产品属于出口导向型。随着人民币汇率的不断提高和国外技术壁垒的限制增多,企业的生存危机已经开始显现。采用高新技术,提高生产效率,降低生产成本是这些企业发展的必然选择。只有这样,浙江省才能从制造业的大省向制造业的强省迈进。其中,采用最新的激光加工技术提升加工制造业将是一种非常明智的选择。
本项目正是针对上述的背景情况,并根据自身的研究条件和工作基础,结合相关企业的研究力量和生产条件,将重点研究实用化高功率脉冲光纤激光器的系列关键技术,并在此基础上,研制可商品化的高功率脉冲光纤激光器,特别是线偏振输出的高功率脉冲光纤激光器,并直接应用于激光光频转换系统,