近日IPG Photonics发布2014年二季度业绩报告,数据显示,该公司二季度实现1.922亿美元营收,净利润为4828万美元,其中高功率光纤激光器及材料加工应用贡献明显。据悉,IPG 2014年一季度实现营业收入1.706亿美元,同比增长20%;净利润为4053万美元,同比增长15%。因此,IPG 2014年上半年实现总营收3.628亿美元,净利润8881万美元。
“高功率光纤激光器的需求大幅增长。”该公司的首席执行官Dr. Valentin Gapontsev表示,“激光切割及焊接、3D打印、玻璃切割和激光清洗应用带动激光材料加工应用保持18%的年增长率。而高功率光纤激光器保持22%的增长率。从地域上来看,欧洲和亚洲对于业绩增长贡献突出。”
IPG于1998年注册成立于美国特拉华州,该公司为多种高性能光纤激光器的主要开发商和制造商,其主要研发、生产基地分布在美国、德国和俄罗斯,是唯一一家垂直一体化光纤激光器制造商。产品广泛用于材料加工、医疗与通信。不论是吉列(Gillette)剃须刀,还是大众汽车(Volkswagen),这些日常用品的生产都离不开IPG光纤激光器。
目前,约有30%的激光器属于光纤激光器,而且,光纤激光器行业仍在继续抢占传统激光器在制造领域的份额,尤其是切割与焊接应用。相比传统激光器,光纤激光器提高了通用性,降低了能耗,减少了运行与维护成本。IPG 2013年营业收入为6.48亿美元,较2012年5.62亿美元增长15.2%;净利润为1.56亿美元,较2012年1.45亿美元增长7.43%。其中,IPG高功率光纤激光器销售的大幅增长主要归功于汽车、重工业和制造业对激光切割和焊接需求增长。
同时,为了满足日益增长的光纤激光器需求,IPG今年初宣布继收购美国维易科精密仪器(Veeco Instruments)分子束外延(MBE)系统后,计划利用Veeco公司的分子束外延系统,针对其激光二极管进行大规模生产。
光纤激光器的技术原理
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”,当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。
早在1961年,美国光学公司的E.Snitzer等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作,但由于相关条件的限制,其实验进展相对缓慢。而80年代英国Southhampton大学的S.B.Poole等用MCVD法制成了低损耗的掺铒光纤,从而为光纤激光器带来了新的前景。
光纤激光的基本结构如图1所示。光纤激光器可以用光纤光栅来作为腔镜,从而实现全光纤结构。泵浦光从左边腔镜耦合进入增益光纤,泵浦光在包层内多次反射穿过掺杂纤芯,光纤具有足够的长度和掺杂离子的浓度等参数选择恰当,这样掺杂离子就能充分吸收泵浦光了。光纤激光器是一个波导型的谐振腔装置,光波的传输由光纤所担负,这种结构实际上就是Fabry-Perot谐振腔结构。光纤激光器实际上是一个波长转换器。在泵浦波长上光子被介质吸收,形成粒子数反转,最后在掺杂光纤介质中产生受激发射和输出激光。
图1 光纤激光器基本结构示意图
按增益介质的不同,光纤激光器可以分为掺杂光纤激光器和受激散射光纤激光器两大类。掺杂激光器的增益介质主要是稀土光纤,激光产生机制是受激辐射。受激散射光纤激光器的发光机制是非线性效应,主要是受激拉曼散射和受激布里渊散射。
按激光腔结构的不同,可以分为线形腔、环形腔等,如图2所示。用光纤光栅代替腔镜,线形腔又分为布反馈(DFB,Distributed-Feedback)和分布布格反射(DBR,Distributed Bragg Reflector)之分。线形腔光纤激光器结构简单能实现高功率和单纵模输出,二环形腔光纤激光器结构元件较为复杂,通常是多纵模输出。
图2 光纤激光器结构示意图(a)线形腔 (b)环形腔
按激光输出的时域特性,又可分为连续激光器和脉冲激光器。脉冲光纤激光器通常采用调Q和锁模技术实现,锁模技术分主动锁模和被动锁模两种。
光纤激光器的关键技术可以分为:特种光纤技术、包层泵浦耦合技术、光纤光栅技术、半导体泵浦激光器技术、光纤激光器整机技术。