大功率光纤激光器技术及其应用
的构想 , 但直到 20 世纪 80 年代, 随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层结构光纤的提出 , 光纤激光 现于世
第 21 卷 第 6 期 山 东 科 学 Vol. 21 No. 6 2008 年 12 月 SHANDONG SCIENCE Dec. 2008
文章编号: 1002 4026( 2008) 06 0072 06
大功率光纤激光器技术及其应用 宋志强
( 山东省 科学院激光研究所, 山东 济南 250014)
摘要: 光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最炙手可热的研究课题, 尤其是大功率光纤激光器, 已在很多
领域表现 出取代传统 固体激光 器和 CO 2 激光器 的趋势。本文 从光纤激 光器的结构 出发, 详细论述 了大功率
光纤激光器的工作原理和关键技术, 重点介绍了应用更为广泛 的脉冲型 光纤激光器 技术, 最后简单 列举了大
功率光纤激光器的优势及其在工业加工、国防、医疗等领 域里的应用情况。
关键词: 光纤激光器; 包层泵浦技术; 双包层掺杂光纤; 光纤光栅; 应用
中图分类号: TN249 文献标识码: A The Development of High Power Fiber Laser and Its Applications
SONG Zhi qiang
( Institute of Laser , Shandong Academy of Sciences , Jinan 250014, China )
Abstract: The technology of fiber lasers is one of research focuses topics in current optoelectronic area,
especially for a high power fiber opt ic laser that has exhibited a tendency substituting traditional solid
state laser and CO 2 laser in many areas. We fully expound its principles and some key technologies from
its structure, emphasize the technology of a pulse fiber optic laser that is more widely applied, and
enumerate its superiorit ies and applications in such areas industrial processing, national defense, medical
service, etc.
Key words: fiber optic laser; cladding pump; double clad rare earth doped fiber; fiber Bragg grating;
application
所谓光纤激光器就是利用稀土掺杂光纤作为增益介质的激光器, 它的发展历史几乎和激光器技术一样
长。早在 20 世纪 60 年代初, 美国光学公司的 E. Snitzer 等人就已经提出了掺稀土元素光纤激光器和放大器 [ 1]
[ 2]
器才进入了一个蓬勃发展的阶段。最近十年, 适合各种不同应用目的和领域的光纤激光器已雨后春笋般涌 [ 3- 5] 。
1 工作原理及关键技术
同其他类型激光器一样, 光纤激光器主要由泵浦源、谐振腔和增益介质三要素构成, 具体包括泵浦 LD 、 DCDF 、大模场 FBG 和光纤合束器等, 如图 1 所示。光纤激光器的所有器件均可由光纤介质制作, 因此光纤技 术是决定光纤激光器性能的关键因素。
收稿日期: 2008 08 23
基金项目: 山东省仪器设备改造项目资助( 2007GG1TC04039) 。
作者简介: 宋志强( 1982- ) , 男, 硕士, 主要研究方向为大功率光纤激光器技术。E mail: zhiqiangs@ gmail. com
纤 。这种光纤能更有效的提高泵浦光吸收系
出功率, 尤其是在脉冲光纤激光器中得到了体现 。另外, 光子晶体光纤( PCF)
第 6 期 特种光纤技术
1. 1 宋志强: 大功率光 纤激光器技术及其应用 图 1
-14大功率全光纤激光器结构原理图 73 起初, 光纤激光器采用直径小于 10 m 的掺杂纤芯作为激光和泵浦光的共同波导, 由于 LD 泵浦光只能 从面积极小的端面进入纤芯且只能采用单模 LD 泵浦, 导致泵浦耦合效率很低, 光纤激光器输出功率不高, 限制了其应用。1988 年, E. Snitzer 等人提出了基于包层泵浦技术的双包层结构光纤使得这一问题得到解决。 双包层光纤结构如图 2 所示, 它是在单包层光纤的基
础上围绕掺杂纤芯增加了一个内包层作为泵浦光的传
输波导, 多模泵浦光可在内包层中传输并不断穿越纤
芯而被其中的掺杂离子吸收, 而产生的激光仍由纤芯
波导传输以保证其高光束质量。双包层光纤的内包层
直径一般在 40~ 500 m, NA 一般在0. 2~ 0. 5 之间, 用
以传输大功率多模泵浦光; 掺杂纤芯直径一般在 5~
50 m, NA 在 0. 05~ 0. 22 之间, 对于具有大模场面积
图 2 双包层掺杂光纤结构原理图
的双包层光纤, 虽然理论上其纤芯支持多种模式, 但可
以通过弯曲损耗等方法使其输出单模激光。由于内包层有较大的截面积和数值孔径, 可容许千瓦级多模半 导体泵浦激光进入其中, 从而大大提高了光纤激光器的单模输出功率。纤芯的掺杂浓度以获得高泵浦吸收, 避免浓度淬灭效应和热学问题, 降低背景损耗为标准。
另外, 由于光纤结构的旋转对称性, 双包层掺杂光纤对泵浦光的吸收效率很低。为了打破泵浦光在内包 层中的旋转对称性, 常用的方法是采用矩形、方形、梅花形、多边形、D 形以及偏心结构等内包层结构, 见图
3。圆形内包层结构的双包层光纤易于制备和熔接, 但对泵浦光的吸收效率最低。偏心结构以及矩形等非圆 形内包层结构的双包层光纤对泵浦光的吸收效率很高, 但与常规光纤的熔接很困难。而多边形和 D 形内包 层结构的光纤不仅对泵浦光有很高的吸收效率, 而且易于与其他光纤低损耗熔接。
近来, 人们不断提出了几种更先进结构的
特种光纤。英国 Southampton 大学的光电子研究
中心提 出了一 种螺旋 状纤 芯结构 的双包 层光
[ 6] 数, 并且螺旋状结构的纤 芯能有效的抑制大尺 图 3 常见的几种内包层结构示意图 寸纤芯中高阶模的产生。多纤芯结构双包层光纤相对于单芯双包层光纤在保证单模输出的情况下提高了输
[ 7] [ 8]
凭借其独特的结构, 具有很 多优点, 如: 可以设计成具有大的数值孔径( 最高达 0. 9) , 对激光器的泵浦非常有利; 模场面积根据需要设计 的自由度相当大, 并保持单模, 用大模场面积 PCF 可以研制高功率激光器, 而小模场面积 PCF 可以获得低阈 值激光器; 独特的色散特性
零色散点可推移至可见光波段, 使它具有制造可见波段全光纤孤子激光器的 潜力; 具有非常高的非线性, 可以进行拉曼激光器与放大器的研制。 1. 2 泵浦耦合技术
简单来说, 泵浦耦合技术就是如何高效率的将泵浦光耦合到双包层掺杂光纤的内包层中去。为此, 人们
案 统 ; ( 2) 采用在光纤端面制作成微透镜的耦合系统
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2008 年
提出了很多泵浦光和双包层光纤之间的耦合方法, 常见的有采用准直聚焦透镜组整形的端面泵浦耦合, 采用 V 形槽、内嵌反射镜、光纤侧面熔接等方案的侧面泵浦耦合, 但分立的端面泵浦和侧面泵浦耦合方案在稳定 性和操作性上均有很大的缺陷。从大功率光纤激光器的发展趋势来看, 要求泵浦耦合器件在将泵浦光耦合 到内包层的同时, 尽量不影响和损害双包层光纤的纤芯, 因为只有这样才能在不影响激光的产生和传输的情 况下实现级联泵浦和超大功率的输出。
目前国际上采用较多的实用化方案是将多个 LD
通过尾纤合并到单根匹配光纤输出, 来获得高功率的
泵浦光, 再通过与掺 杂光纤熔 接对其进 行泵浦。ITF
公司率先研制出一种高耦合效率的, 适合大功率下工
作的光纤合束器 [ 9] , 其结构见图 4。由于 7 根和 19 根
光纤在合并熔融拉锥后的截面更接近于圆形, 因此光
纤合束器大多是采用 7 1 或 19 1 的结构。由于光 图 4 光纤合束器结构示意图 纤合束器是由光纤介质制作, 很容易和其它光纤器件无缝连接, 因此这种泵浦方法可制成体积小、重量轻、结 构坚固、稳定性能好的大功率全光纤激光器。
1. 3 FBG 刻写技术
FBG 是一种刻写在光纤纤芯中的 Bragg 光栅, 它能够把前向传输的纤芯模式能量耦合给后向传输的纤 芯模式, 形成在谐振波长附近一定带宽的能量反射。FBG 可达到较高的反射率( 100% ) 和较窄的反射带宽 ( 0. 1 nm) , 作为光纤激光器的谐振腔腔镜, 可使激光器具有更紧凑的结构和更高的稳定性。由于 FBG 本身 就是由光纤制作而成, 因此在光纤激光器的全光纤化设计中具有明显的优势, 是作为大功率双包层光纤激光 器腔镜的最佳选择。
1989 年, Gerry Melted 首次提出采用两束波长位于掺 Ge 石英光纤吸收带内的紫外激光相干涉, 从光纤侧 面写入了一种永久的折射率呈周期性分布的 FBG 0]。经过几十年的不断发展, 目前光纤光栅的制作方法多 种多样。采用适当的光纤增敏技术、不同的成栅方法并结合使用合适光源, 几乎可以在各种类型的光纤上刻 写出光栅。制作应用于 全光纤化 高功率光 纤激光器 的 FBG, 紫外曝 光相位掩 模法是相 对可行的 技术方 。关键问题在于光敏双包层光纤的获得, 载氢方法虽然可行, 但要实现光纤光栅的高稳定性, 许多工艺 还需要进一步摸索。近年来研究的一个新领域是用飞秒脉冲激光器作为成栅光源 , 利用该光源并结合全 息干涉法、相位掩模法及点点写入法可以制作高质量的光纤光栅, 且光栅温度耐受性好, 适合用作高功率光 纤激光器的腔镜。飞秒激光写入光栅法与紫外曝光法相比有许多优点, 因此在光纤激光器的腔镜应用上有 很大的发展潜力。
1. 4 LD 光纤耦合技术
大功率光纤激光器一般采用光纤耦合输出的 LD 作为泵浦源。LD 的输出光束在垂直于结平面( 快轴) 方 向和平行于结平面( 慢轴) 方向是非对称的, 光参数积相差几百甚至上千倍, 光束质量很不均衡, 这样的光束 不可能通过传统的成像光学系统聚焦成对称的小光斑耦合到光纤中, 必须先采用特殊的光学器件对光束进 行整形, 实现两个方向光束质量的均衡。
LD 与光纤耦合的方案 概括起来 可分为两 大类: ( 1) 采 用分立的 小型或微 型光学元 件构成的 耦合系 [ 13] 4]。LD 的电光效率仅能达到 40% 左右, 大部分的能量 都转化成热能, 而温度对 LD 中心波长等性能的影响是很大的, 因此制冷对其非常重要。对于大功率光纤激 光器来说, 由于光纤具有良好的散热特性, 激光器的制冷主要是针对泵浦源考虑。而随着泵浦合束器技术的 发展和 LD 功率的不断提高, 已经不再采用需要水冷却的 Bar 条或堆栈结构的大功率 LD 作泵浦, 小功率的 LD 通过 N 1 光纤合束器合束就可以提供很高的泵浦能量。
脉冲 具有光斑小、亮度高、接近衍射极限的光束质量。( 2) 光纤的损伤阈值高( 一般为 1. 5 W m
2 第 6 期 脉冲型光纤激光器
宋志强: 大功率光 纤激光器技术及其应用 75 目前, 大功率光纤激光器已实现窄线宽、单偏振、波长可调谐和脉冲运转等方式, 而实现脉冲运转主要通
过主振荡功率放大器( MOPA) 、调 Q 和锁模等方案。具有高能量( mJ) 、高峰值功率( kW) 、高重复频率( kHZ) 、 高亮度( 近衍射极限) 的光纤激光器已得到广泛应用。
通过双包层光纤获得高光束质量高能量脉冲普遍采用的方法是主振荡器提供种子脉冲, 然后注入到双
包层光纤 MOPA 模块中来获得, 主振荡光脉冲放大的关键是选择合适的主振荡器( MO) 和吸收效率高的增益 介质。一种更为简单的方法是采用调 Q 技术即直接在双包层光纤激光腔内插入调 Q 器件, 来获得高峰值功 率高能量的激光脉冲。光纤型 Q 开关有光纤 Mach Zehnder 干涉仪、光纤 Michelson 干涉仪和利用光纤的受激 布里渊散射( SBS) 被动调 Q 等。根据锁模方式不同, 锁模光纤激光器可分为主动锁模和被动锁模。由于主 动锁模调制能力有限, 限制了锁模脉冲的宽度, 脉冲宽度通常为飞秒量级。被动锁模或自锁模光纤激光器是 利用光纤或其他元件中的非线性光学效应实现锁模的, 激光器结构简单, 在一定条件下不需要插入任何调制 元件就可以实现自启动锁模工作。通常自启动被动锁模光纤激光器可以输出 fs 量级的超短脉冲。
超短脉冲激光技术在激光制导、激光卫星定位、激光受控热核反应、强场物理等很多领域都有着重要应 用。可输出超短脉冲的 光纤激光器主要有锁模环形光纤激光 器、光纤光栅激光 器和超连续脉冲 发生器。 2002 年, L. Lefort 和 A. Albert 等人提出一种低噪声展宽脉冲掺镱光纤激光器 , 采用光纤和光栅分别提供正 负色散, 在腔内交替的对光脉冲进行展宽和压缩, 该方案在 1056 nm 处获得了平均功率 3 mW, 脉宽为 108 fs 的脉冲。1996 年, Fermann 等人采用腔内插入 2 个用于控制脉冲宽度的啁啾光纤光栅被动锁模激光器, 获得 了最大平均功率为 170 mW, 脉宽为 4ps 的超短脉冲。近年, 光子晶体光纤( photonic crystal fiber, PCF) 凭借其 特殊的色散特性和非线性结构, 吸引了人们极大的研究兴趣。与传统光纤相比, PCF 能够在波长低于 1. 3 m 时获得反常色散, 同时保持单模, 这种奇异的色散特性为短波长光孤子传输提供了可能, 也为超短脉冲激光 器提供了一种新型的光纤材料。2005 年, 德国 Friedrich Schiller 大学的研究人员采用大模面积( LMA) 光纤技 术与非线性脉冲压缩结合的方法, 在 LMA PCF 中产生了中心波长为 1038 nm 、重复频率为 73 MHz 的 50 fs 光 6]。
3 3. 1 大功率光纤激光器的优势及应用
优势
与同等功率水平的传统固体激光器或气体激光器相比, 光纤激光器无论在光束质量、工作效率、结构体 积和系统维护等方面, 均占有明显的优势, 具体表现在: ( 1) 由于双包层光纤独特的波导结构, 使得输出激光 2 [ 17] ) , 易于达到高 功率, 转换效率高, 通过选择不同的稀土掺杂光纤或不同反射特性的光纤光栅, 可以得到很宽工作波长范围 的光纤激光器。( 3) 由于表面积与活性介质体积比高, 其散热性能好, 不需要特殊制冷。百瓦量级的光纤激
光器采用简单的风冷即可。( 4) 结构简单、体积小、重量轻、性能稳定、可靠性好, 对灰尘、震荡、冲击、湿度等 具有很高的容忍度, 使用灵活方便。( 5) 造价不断降低。
3. 2 应用举例
大功率光纤激光器凭借其一系列优点, 以及可达几十千瓦的输出功率, 使其应用范围逐渐从光通信领域 扩展到工业加工、材料处理、生物医学、国防军工等越来越广泛的领域中。
在通讯领域, 应用 最多而且 对光纤激 光器推 动最大的 就是全光 通讯网络。掺铒光 纤激光器 提供的
1. 30 m 和 1. 55 m 波段的激光, 处于光通讯的两个低损耗窗口上。双包层掺镱光纤激光器的出现, 解决了 拉曼光纤放大器的泵浦源问题 , 这种拉曼光纤放大器可以工作在光通信窗口的任意波长处, 并对光信号 进行在线放大, 是长距离、超长距离通信实现信号放大的理想选择。大功率光纤激光器另一个发展方向是将
出能量高度集中, 光功率密度可达到 MW cm 量级, 足以摧毁任何坚固的目标。它以 3 10 m s 的速度在空 的柔韧性和光纤激光器光束质量好, 可以使光纤进入人体内排除肿瘤和各种淤积物
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2008 年
其应用到光孤子通讯和空间通讯领域, 实现远距离、无差错通信。
在工业加工方面, 激光加工技术是利用激光与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打 孔及微加工等的一门加工技术, 它是大功率光纤激光器市场前景最广阔的应用领域。与机械加工相比, 激光 加工具有加工对象广、非接触加工、公害小、速度快、可自动控制等优点, 被誉为 未来制造系统的共同加工手 段 9]。
与传统高功率激光器相比, 工作波长在 1060~ 1200 nm 范围内的掺镱大功率光纤激光器, 具有转换效率 高、光束质量好、维护周期长、运行费用低等优点, 其极高的效率和功率在材料加工方面可与传统的 YAG 激 光器相媲美。在激光打标领域, 由于光纤激光器具有高的光束质量和定位精度, 集成电路制造商开始用光纤 激光打标系统取代效率不高的 CO 2 激光和闪光灯泵浦的 Nd YAG 脉冲激光打标系统, 在半导体芯片和包装 上制作小铭牌, 它也常用于在塑料和金属上打标; 在焊接领域, 激光软焊和烧结所需的功率为 50~ 500 W, 金 属焊接和硬焊为 5~ 20 kW, 大功率光纤激光器完全能够满足要求。2008 年, 德国宝马汽车公司从 IPG 公司 订购了 16 台千瓦级连续光纤激光器用于车门焊接生产线。
在国防军工方面, 功率高、光束质量好的激光武器一直是军事领域研究的重点, 高功率光纤激光器以其 亮度高、照射面积小、体积小、使用灵活方便等优点越来越受到重视。作为攻击武器, 高功率光纤激光器的输
2 8
气中传播, 瞄准目标时不需计算提前量, 且射击时没有后坐力, 可随机变换射击方向, 精确打击目标的要害部 位。而作为防御武器, 美国军方使用 IPG 公司生产的 2 000 W 多模光纤激光器, 在阿富汗恶劣环境下成功执 行了扫雷任务。
在医疗方面, 光纤激光器用作止血和手术刀已出现在许多内外科手术中, 并逐渐被广大医学工作者认 同。高功率光纤激光器的引进, 使组织脱落和光致凝结手术的时间大大缩短。在眼科手术中, 连续掺铥光纤 激光器能使角膜成形手术成功率更高, 同时还可以治疗远视、近视等眼科疾病。在心血管手术中, 利用光纤 0]。在整形美容手术 中, 2 m 波长光纤激光器在治疗皮肤癌和去纹身方面已取得了良好效果。另外, 功率超过几瓦的掺铥光纤 激光器则在显微外科手术中扮演了十分重要的角色, 它能为外科手术提供较大的高能辐射, 同时在红外保健 方面也有着应用空间。
在石油矿产领域, 高功率光纤激光器能够通过光纤向井下提供所需要的能量, 在建井和完井作业中出色 的发挥作用。与常规工业激光器相比, 它的工作效率更高, 光束质量更好, 机动性更强, 在使用寿命期间基本 上不用维修。将其代替常规的射孔弹, 能够降低或消除射孔损害并显著提高产量和总体经济回报。2003 年 开始, 美国天然气技术研究所( GTI) 应用 5. 34 kW 高功率激光器进行了井下射孔应用研究。试验表明, 对光 束质量进行更好的控制, 则激光器能够破碎任何岩石, 而高功率光纤激光器将在此领域体现出其应用优势。
4
总结与展望
激光的应用是人类使用工具的第三次飞跃, 而光纤激光技术的成熟使得大功率光纤激光器从实验室真 正进入大规模工业应用。在能源日益短缺的时代, 大功率光纤激光器正在大幅度减少能耗, 节约资源等方面 做出越来越多的贡献。
预计到 2010 年, 光纤激光器将至少占领工业激光器 28 亿美元市场份额的四分之一。光纤激光器的销
售量将以年增幅超 35% 的速度攀升, 从 2005 年的 1. 4 亿美元增至 2010 年的 6. 8 亿美元。而同期, 工业激光 器市场每年增幅仅 9% , 2010 年达到 28 亿美元。 十一五 期间, 中国光纤激光器市场年需求将在 5000 台以 上, 假如能突破关键技术, 国产产品售价可控制在进口产品的 60% 以下, 直接降低成本 4 亿元。因此, 全力 发展我国的光纤激光产业将具有重要的经济价值和战略意义。
第6 期宋志强: 大功率光纤激光器技术及其应用77 参考文献:
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光纤激光器原理
光纤激光器原理 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值， 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输出的激光是一个一个脉
冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说10 ns(纳秒)，一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用t 表示。这种激光器可以发出一连串脉冲，比如，1 秒钟发出10 个脉冲，或者有的就发出一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复(频)率前者为10，后者为1，那么，1 秒钟发出10 个脉冲，它的脉冲重复周期为0.1 秒，而1 秒钟发出1 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为1 秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为E，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如， E = 50 mJ(毫焦)，T = 0.1 秒，那么，平均功率P平均= 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以t，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率(peak power)，例如，在前面的例子中E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值= 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦)，由于脉冲宽度t 很小，它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k=？秒 平均功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t 激光的分类： 激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐，目前工业用红外及紫外激光。例如CO2激光器10.64um红外
高功率IPG光纤激光器应用简介
高功率IPG光纤激光器应用简介 一、IPG光纤激光器简介 1.光纤激光器简介 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。 2.光纤激光器的优势 首先是使用成本低，光纤激光器替代了不稳定或高维修成本的传统激光器。其次，光纤激光的柔性导光系统，非常容易与机器人或多维工作台集成。第三，光纤激光器体积小，重量轻，工作位置可移动。第四，光纤激光器可以达到前所未有的大功率(至五万瓦级)。第五，在工业应用上比传统激光器表现更优越。它有适用于金属加工的最佳波长和最佳的光束质量，而且光纤激光器在每米焊接和切割上的费用最低。第六，一器多机，即一个激光器通过光纤分光成多路多台工作。第七，免维护，使用寿命长。最后，由于其极高的稳定性，大大降低了运行中对激光质量监控的要求。简单来说就是高功率下的极好光束质量，高光束质量下的极好电光效率，高功率高光束质量下的极小体积、可移动性和柔性。 3.IPG简介 全球最大的光纤激光制造商IPG Photonics由Valentin Gapontsev博士于1991年创建，总部设在美国东部麻省。IPG在德国、美国、俄罗斯和意大利设有生产、研发基地，并在全球设有销售和服务网点，覆盖美国、英国、欧洲、印度、日本、韩国、新加坡和中国，并于2006年在美国纳斯达克上市。
十八年来，IPG致力于纵向合成，所有的核心配件均为IPG研发、生产和拥有，同时也是唯一一个能为客户提供高性价比的光纤和半导体激光器的厂家。 高功率是IPG的优势。全世界已有上千台IPG的高功率(>1KW)光纤激光器在汽车制造、船舶制造、海上平台和石油管道、航空航天和技术加工等工业领域中得以应用。在日本，我们向丰田、三菱、住友在内的客户售出了数百台IPG的大功率光纤激光器。这些激光器的成功应用，说明了IPG光纤激光已成熟，且成为制造业的技术工具之一。依近期国内各厂家、院校、集成商对IPG光纤激光器大量的订单来看，光纤激光在中国市场广泛应用的局面会很快到来，尤其是在金属加工(切割、焊接、熔覆、快速成型等)方面。 二、高功率光纤激光应用领域 1.激光焊接领域的应用 光纤激光器的光束质量好，连续功率大，适用于深熔焊和浅表热导焊。连续激光通过调制可提供激光脉冲，从而获得高峰值功率和低平均功率，适用于需要低热输入要求的焊接。由于高功率激光的调制频率高达1万赫兹，因而能够提高脉冲焊接的产能。光纤输送方式使激光能够灵活地集成在传统焊钳、振镜头、机器人和远程焊接系统内。无论采用何种光束输送方式，光纤激光器都具有无可比拟的性能。典型的点焊应用包括依靠振镜头传送光束，从而完成剃须刀片和硬盘挠曲的焊接，从而充分地利用光纤激光器的脉冲功能。光纤激光器的光斑小，焦距长，因而远距离激光焊接的能力大大提高。1-2米的工作间距与传统机器人相比使工作区域提高了数倍，配备光纤激光器的远程焊接工位包括车门焊接、多点焊接和整个车身框架的搭接焊接。光纤激光器焊接的其它例子包括传动部件全熔焊、船用厚钢板深熔焊、电池组密封焊接、高压密封等等。图1展示了光纤激光焊接的效果。
飞秒激光器在加工铁和钨零件的应用
摘要： 飞秒激光增材制造第一次被证明。具有非常不同的熔融温度和机械性能的纯铁和钨粉末用于演示。制造各种形状的零件，例如环形和立方体，对制造的样品进行微硬度和极限拉伸强度的研究。研究的结果也与由连续激光器制成的类似部件进行比较。发现飞秒激光增材制造可以获得更好的机械性能，而且可以加工以前不能加工的材料。 1、简介 在过去二十年中，增材制造（AM），特别是激光辅助增材制造AM，引起了广泛的关注[1，2]。近年来金属部件的激光增材制造被研究的最多[3，4]。目前，大功率连续激光器（CW）以及一些长脉冲激光器（脉冲持续时间纳秒到毫秒）被广泛应用[4,5]。虽然已经取得了许多突破，但仍然存在许多难题，例如由于热影响区大而缺乏准确性，以及材料种类的限制[6]，特别是对于具有高导热性（> 100 W（mK））的高温（> 3000℃）材料，如钨[7]和一些陶瓷[8]，需要极高的功率才能使样品完全熔化，这不实际。 超快激光器引起了更多的关注，在诸如材料加工[9]，光谱学[10]和生物医学成像等领域有很多重要的应用[11]。区别于其他激光源，超快激光器有极短的脉冲持续时间和极高的峰值功率等特点。像局部温度高，热影响区域小[9]以及能产生极高温度的特点（>7000℃）[12,13]，给了飞秒激光器特殊加工的机会，在增材制造中发挥前所未有的作用，最近，我们首次发布由飞秒光纤激光器用于熔化具有极高熔点的材料的研究[14]，在此研究中，使用单层粉末来证明高温材料钨（熔化温度3422℃）铼（3182℃）完全熔化的可行性和一些超高温陶瓷（> 3000℃），这项研究展示了在激光增材制造AM中采用飞秒光纤激光器的巨大前景。 在这项工作中，我们将研究扩展到多层熔化或成型零件。第一次由飞秒光纤激光器制造各种形状的零件（环和立方体）。铁和钨粉末用于测试，详细研究了制造零件的机械性能和显微组织，也分析对比了由连续器激光制成的类似零件。 2、实验设置 在我们的实验中，使用了两种类型的激光 - 飞秒激光器和连续激光器。它们是1MHz重复平率飞秒掺镱 Yb光纤激光器（Uranus-mJ，PolarOnyx laser，Inc.，California毫焦高能飞秒光纤激光器）80MHz重复频率飞秒掺镱 Yb光纤激光器（天王星，PolarOnyx激光公司，加利福尼亚州）和连续掺镱Yb光纤激光器。所有激光器的中心波长为1030nm。1MHz和80 MHz激光器分别具有400和350飞秒的脉冲半高宽度（FWHM）。自制选择性激光熔化设置用于测试（图1）。激光束被引导通过声光调制器（AOM），其用于控制激光器的开/关和变化激光功率。配备有F-theta透镜（100mm长焦距）的激光振镜与AOM同步，并用于在粉末表面上扫描激光束。将扫描器安装在电动平台上以控制激光束使粉末表面的位于焦点位置。粉末均匀地分布在具有刀片的基底上。将样品容器安装在z台上并充满氩气以防止金属粉末氧化。扫描一层粉末后，将样品容器降低一定距离，并使用刮刀将新的粉末重新涂覆在其上，新粉末表面保持与上一次相同的高度。 在这里测试了两种材料，铁粉（1-5微米，大西洋设备工程公司，新泽西州）
半导体激光器 薄片激光器 飞秒光纤激光器在材料加工领域和太阳能电池领域的应用
半导体激光器薄片激光器飞秒光纤激光器在材料加工领 域和太阳能电池领域的应用 关键词：金属穿孔卷绕激光器、发射极穿孔卷绕激光器、激光烧制接触激光器、SiN / SiO 层掺杂、MWT激光、EWT激光、LFC激光、硅太阳能电池激光设备、薄膜太阳能电池激光设备、太阳能电池薄片激光器、激光焊接、激光打孔、飞秒激光加工、薄片激光器材料加工、高功率飞秒光纤激光器、固体激光器材料加工、激光熔融、激光熔覆、薄片激光器、飞秒光纤激光器、频率脉宽可独立调制 太阳能电池加工（硅太阳能电池） 在硅太阳能电池领域，激光加工在金属穿孔卷绕（MWT）、发射极穿孔卷绕（EWT）、激光烧制接触、SiN / SiO层掺杂方面发挥了重要作用； 金属穿孔卷绕、发射极穿孔卷绕：最高20000个孔/秒，孔直径20~60μm，3~4个脉冲/孔。 激光烧制接触：最高15000接点/秒，接点尺度50~80μm，1个脉冲/接点。 SiN / SiO dielectric layer opening：最高100000接点/秒，熔接直径20~70μm，1个脉冲/接点。（更多半导体激光模块知识可参见深圳顶尖（科仪）的博客）
在薄膜太阳能电池领域，复合物薄膜和基底有多种选择，对于每一种不同的组合所用到的激光加工工艺都是不同的，下面以几个典型的结构为例进行介绍。 a-Si / CdTe type solar cells：结构为玻璃/TCO/发射层/金属，接触点p1和p3层。激光器选用JenLas? fiber ns 10-4。 CIGS type solar cells：结构和a-Si / CdTe type相反。发射极加工：JenLas? fiber ns 10-40或JenLas? D2.fs。 JenLas? disk IR50是45W的红外声光调Q薄片激光器，具有非常好的光束质量，特别适合于各种工业上的微加工。 JenLas? disk IR50 / JenLas? disk IR70 1、波长1030nm， 2、声光调Q 3、平均功率 > 45W/65W 4、宽脉冲宽度，200~2000ns/650~1600ns可调 5、快速，重复频率8~30kHz（高级模式最大100kHz）， 6、单脉冲能量高达5/7mJ @8kHz 7、光束质量好M2<1.2 JenLas? mopa N35 1、基本同上 2、固态二极管泵浦调Q激光器，功率35W 3、波长1064nm 4、重复频率30~150kHz 0.2mJ @150kHz 5、OEM设计，运行费用低 6、稳定性 8h ±3%
浅析高功率光纤激光器
浅析高功率光纤激光器 高功率光纤激光器，是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言（功率为mW级），是定位于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业的高强度光源。高功率光纤激光器巧妙地把光纤技术与激光原理有机地融为一体，铸造了21世纪最先进和最犀利的激光器。即使是在激光技术发达的国家，光纤激光器也是尖端、神秘和充满诱惑的代名词。2002年6月，光纤激光器空降中国，震撼了中国激光学术和产业界，引起了尊至院士的深情关注！ 一、光纤技术 光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底，整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。 光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，主要广泛应用于光纤通讯，其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-62.5μm)、中间低折射率硅玻璃包层(芯径一般为125μm)和最外部的加强树脂涂层组成。〈见图一〉光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤：中心玻璃芯较细(直径9μm+0.5μm)，只能传一种模式的光，其模间色散很小，具有自选模和限模的功能。多模光纤：中心玻璃芯较粗(50μm+1μm)，可传多种模式的光，但其模间色散较大，传输的光不纯。 用于高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤，而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。
双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层，对泵浦光而言是多模的，直径和受光角较大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纤内聚集大量的光子。实践证明：横截面为D型和矩形的双包层光纤具有95%的耦合效率因而得到广泛应用。对于脉冲光纤激光器而言，一个重大的课题就是如何提高光纤的耐辐射能力。目前世界上光纤激光器的单脉冲能力可以达到20,000W，一根头发丝大小的光纤如何能承受如此高的激光辐射？所以必须考虑在光纤内掺杂某种特殊离子防止光纤被烧坏。比如掺杂了铈离子的光纤就是在核辐射情况下，既不会因染色而失去透光能力，更不会受热变形。 二、传统固体激光器 激光器说白了就是一个波长转换器---波长短的泵浦光激励掺杂离子转换成长波长的光辐射，它一般由3部分组成：工作物质、谐振腔和泵浦系统。由于光纤激光器本质上属于固体激光器，所以在此仅比较一下传统Nd:YAG激光器的特性。 工作物质： 工作物质是固体激光器的心脏，它的物理性质由基质材料决定，光谱性质由激活离子内的能级结构决定。在YAG单晶体中掺入三价的Nd3+，便构成了目前广泛应用的YAG激光晶体。它主要有如下明显的特点： 1、YAG棒生长速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶体棒的直径为40mm，长180mm，所以激光增益从根本上受到限制，无法实现特高功率激光输出。
光纤激光器的特点与应用
光纤激光器的特点与应用 光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。近年来，随着光纤通信系统的极大的应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。光纤激光器在降低阂值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。它是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。 1.光纤激光器工作原理 光纤激光器主要由三部分组成: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可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图1所示。 掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量。光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。例如掺饵光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。 光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。三能级和四能级的激光原理如图2所示，泵浦(短波长高能光子)使电子从基态跃迁到高能态E4或者E3，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E3 2，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E扩或者E3，时，就会出现激光的过程。
光纤激光器工作原理及发展
光纤激光器的工作原理及其发展前景 1 引言 光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。 2 光纤激光器的结构及工作原理 2.1光纤激光器的结构 和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后．最终形成稳定激光输出。图1为典型的光纤激光器的基本构型。 增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间．从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中．激射输出光从第2个反射镜输出来。 2.2 光纤激光器的工作原理 掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时．就会被稀土离子所吸收。这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可
大功率光纤激光器技术及其应用
的构想 , 但直到 20 世纪 80 年代, 随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层结构光纤的提出 , 光纤激光 现于世 第 21 卷 第 6 期 山 东 科 学 Vol. 21 No. 6 2008 年 12 月 SHANDONG SCIENCE Dec. 2008 文章编号: 1002 4026( 2008) 06 0072 06 大功率光纤激光器技术及其应用 宋志强 ( 山东省 科学院激光研究所, 山东 济南 250014) 摘要: 光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最炙手可热的研究课题, 尤其是大功率光纤激光器, 已在很多 领域表现 出取代传统 固体激光 器和 CO 2 激光器 的趋势。本文 从光纤激 光器的结构 出发, 详细论述 了大功率 光纤激光器的工作原理和关键技术, 重点介绍了应用更为广泛 的脉冲型 光纤激光器 技术, 最后简单 列举了大 功率光纤激光器的优势及其在工业加工、国防、医疗等领 域里的应用情况。 关键词: 光纤激光器; 包层泵浦技术; 双包层掺杂光纤; 光纤光栅; 应用 中图分类号: TN249 文献标识码: A The Development of High Power Fiber Laser and Its Applications SONG Zhi qiang ( Institute of Laser , Shandong Academy of Sciences , Jinan 250014, China ) Abstract: The technology of fiber lasers is one of research focuses topics in current optoelectronic area, especially for a high power fiber opt ic laser that has exhibited a tendency substituting traditional solid state laser and CO 2 laser in many areas. We fully expound its principles and some key technologies from its structure, emphasize the technology of a pulse fiber optic laser that is more widely applied, and enumerate its superiorit ies and applications in such areas industrial processing, national defense, medical service, etc. Key words: fiber optic laser; cladding pump; double clad rare earth doped fiber; fiber Bragg grating; application 所谓光纤激光器就是利用稀土掺杂光纤作为增益介质的激光器, 它的发展历史几乎和激光器技术一样 长。早在 20 世纪 60 年代初, 美国光学公司的 E. Snitzer 等人就已经提出了掺稀土元素光纤激光器和放大器 [ 1] [ 2] 器才进入了一个蓬勃发展的阶段。最近十年, 适合各种不同应用目的和领域的光纤激光器已雨后春笋般涌 [ 3- 5] 。 1 工作原理及关键技术 同其他类型激光器一样, 光纤激光器主要由泵浦源、谐振腔和增益介质三要素构成, 具体包括泵浦 LD 、 DCDF 、大模场 FBG 和光纤合束器等, 如图 1 所示。光纤激光器的所有器件均可由光纤介质制作, 因此光纤技 术是决定光纤激光器性能的关键因素。 收稿日期: 2008 08 23 基金项目: 山东省仪器设备改造项目资助( 2007GG1TC04039) 。 作者简介: 宋志强( 1982- ) , 男, 硕士, 主要研究方向为大功率光纤激光器技术。E mail: zhiqiangs@ gmail. com
激光20wmopa系列光纤激光器应用介绍2018.2.22
20W MOPA光纤激光器应用介绍 应用工程师：无锡创永激光刘工 2016年7月18日
20W MOPA参数表 长脉宽单脉冲能量高，热效应明显，窄脉宽单脉冲能量低，热效应弱；高频率，平均功率高，热效应明显，低频率（10KHz），平均功率低，热效应弱；低扫描速度，低填充密度，激光能量集中，热效应明显，高扫描速度，中等填充密度（），激光能量分散，热 效应弱。
固定脉宽，100%功率，频率由小增大，平均功率线性增大，直至降功率频率（4ns400KHz），降功率频率到最大频率，功率趋于稳定。 固定脉宽，100%功率，频率由小增大，峰值功率增大，直至降功率频率（4ns400KHz），降功率频率到最大频率，峰值功率呈反比例函数递减。 其他脉宽类似。 MOPA光纤激光器，脉宽可调，脉冲频率范围大，应用范围十分广泛，本文中介绍了20W MOPA光纤激光器部分常见应用，用于20W MOPA应用介绍和推广。其中不同材料参数设置有所差异，文中参数
可作为参考，如有不同之处，敬请谅解。
1. 阳极氧化铝标刻 小米手机壳阳极氧化铝标刻黑色LOGO 小米充电宝阳极氧化铝标刻白色LOGO 阳极氧化铝上标刻黑色二维码，显微镜下可扫描 2. 304不锈钢标刻 304不锈钢打彩色LOGO 304不锈钢名牌标刻黑色 304不锈钢深雕 3.部分高分子材料标刻 公牛插座、苹果手机数据线等某些白色高分子材料标刻深色 PA66+、PE等某些黑色高分子材料标刻浅色 4. 电子器件标刻 电解电容标记黑色参数 PCB板标刻白色二维码和参数 电镀电子器件标刻 IC芯片等电子器件参数标刻 5. 漆剥除 汽车、电脑、手机等透光件漆剥除 亚克力瓶、橡胶按键表面漆剥除 电脑铝制外壳导通处漆剥除 6. 铜制器件标刻 黄铜件标记白色尺寸参数 7. 微弧氧化铝合金标刻黑色名牌 8. 碳钢轴承标记黑色参数 9. 铝箔、锡箔、铜箔切割
光纤激光器的分类
光纤激光器的分类 光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种： （1）按增益介质分类为： a）晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器等。 b）非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。 c）稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，（Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶）而制成光纤激光器。 d）塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 （2）按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。 （3）按光纤结构分类为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。 （4）按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器（脉冲宽度为ns量级）和锁模光纤激光器（脉冲宽度为ps或fs量级）。 （5）根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。 （6）根据激光输出波长的可调谐特性分为可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。 （7）按激光输出波长的波段分类为S-波段（1460~1530 nm）、C-波段（1530~1565 nm）、L-波段（1565~1610 nm）。 （8）按照是否锁模，可以分为：连续光激光器和锁模激光器。通常的多波长激光器属于连续光激光器。 按照锁模器件而言，可以分为被动锁模激光器和主动锁模激光器。 其中被动锁模激光器又有: 等效/假饱和吸收体：非线性旋转锁模激光器（8字型，NOLM和NPR） 真饱和吸收体： SESAM或者纳米材料（碳纳米管或者石墨烯）。
光纤激光器的原理及应用
光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 光纤激光器主要由三部分组成：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可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。
飞秒激光器
飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲时域宽度是如此的短，目前已经达到了4fs以内。1飞秒（fs）,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，其聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。 近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。桑迪亚国家实验室的R.Trebino说:“过去1 0年中,（超快）技术已有显著改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。这种激光器现在人们已可买到, 而10年前, 你却必须自己建立。”比如，著名的飞秒激光系统生产商美国Clark-MXR公司将产生高功率飞秒脉冲的所有部件全部集成到一个箱子里，采用掺铒光纤飞秒激光器作为种子源，加上无需调整（NO Tweak）的特殊设计，形成了世界上独一无二，超稳定、超紧凑的CPA2000系列钛宝石啁啾脉冲放大系统。这种商品化的系统不需要飞秒专家来操作，完全可以广泛应用于科研和工业上的许多领域里。 根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子
激光振镜场镜原理(精)
Rdie aarlh doped siide-rrirMte core single-mode signal Multi-mode pumplighrt 光纤激光器原理： 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器， 掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。 泵浦源由一 个或多个大功率激光二极管阵列构成， 其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介 质的掺稀土元素光纤， 泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收， 形成粒子数反转，受激发射 的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好， 无需 庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值，光束质量好和窄线宽等优点。并且，光纤激光 器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、 免维护、高稳定性的优点； 超长的工作寿命和免维 护时间，平均免维护时间在 10万小时以上。 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输岀的激光是一个一个脉冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如 说10 ns （纳秒），一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用 t 表示。这种激光器可以发出一 连串脉冲，比如，1秒钟发出10个脉冲，或者有的就发出 一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复 （频）率 前 者为10,后者为1，那么，1秒钟发出10个脉冲，它的脉冲重复周期为 0.1秒，而1秒钟发出1个 脉冲，那么，它的脉冲重复周期为 1秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为 E ，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如，E =50 mJ （毫焦），T = 0.1 秒，那么， 平均功率 P 平均=50 mJ/0.1 s = 500 mW 。 如果用E 除以t ，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率 （peak power ），例如，在前面的 例子中 E = 50 mJ, t = 10 ns, P 峰值=50 X 10A （-3）/[10 X10A （-9）] = 5 X 10A 6 W = 5 MW （兆瓦），由于脉冲宽度 t 很小，它的峰值功率 很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间 T=1s/2k= ?秒 平均功率 P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P 峰值功率 =E/t
光纤激光器综述
摘要：光纤激光器技术是光学领域最为重要的技术之一，作为第三代激光技术的代表，其稳定性好、效率高、阈值低、线宽窄、可调谐、紧凑小巧和性价比高等优点，使得它在光纤传感、光纤通信、工业加工等领域都有着重要的应用。而掺镱双包层光纤激光器是国际上近年来发展的一种新型固体激光器。本文就介绍了这种高功率掺镱双包层光纤激光器，主要介绍了高功率掺镱双包层光纤激光器的概念、发展历史及发展现状、基本原理、优点、实现的关键技术、应用及其广阔的前景。同时总结出了未来光纤激光器的发展方向，并且可以预计光纤激光器最终将可能会替代掉全球大部分高功率CO2激光器和绝大部分Y AG激光器。 关键词：光纤激光器；掺镱双包层光纤激光器；光纤融合技术；激光加工。引言 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，虽然光纤激光器得到了社会各方面的广泛重视，但是光纤激光器并不是新型光器件。1961年，美国光学公司的Snitzer和Koester等在一根芯径300um的掺Nd3+玻璃波导中进行试验观察到了激光现象，并与1963年和1964年发表了多组分玻璃光纤中的光放大结果，提出了光纤激光器和光纤放大器的思想。1975～1985年中有关这个领域的文章较少，不过在这期间许多发展光纤激光器的必须工艺技术已趋于成熟[1]。上个世纪80年代后期，美国Polaroid公司提出了包层抽运技术，之后双包层光纤激光器，特别是掺镱双包层光纤激光器发展非常迅速。1994年，PASK 等首先在掺Yb3+石英光纤中实现了包层抽运，得到了0.5W的最大激光输出。1998年，Lucent技术公司的KOSINKI和INNISS报道了一种内包层截面形状为星形的掺Yb3+双包层光纤激光器，得到了20W的激光输出。1999年，DOMINIC等用4个45W的半导体激光二极管阵列组成总功率为180W的抽运源，在1120nm 得到110W的激光输出。2002年，IPG公司公布了2000W的掺Yb3+双包层光纤激光器。目前，该公司已经推出了输出功率为17kW的掺Yb3+双包层光纤激光器，虽然因为采用的是多组激光合束的方式，致使激光器的光束质量下降很大，但仍然在对功率要求高、光束质量要求不是很高的场合有非常好的应用前景。但如何提高功率，同时又保证光束质量，是当前研究要解决的难题之一。 在国内，关于掺Yb3+双包层光纤激光器的研究起步较晚。从上个世纪年80
飞秒光纤激光器的应用
飞秒光纤激光器的应用 飞秒光纤激光器是一种主要由光纤激光器构成，具有飞秒（10负15次秒）区持续时间的脉冲激光器。 飞秒激光器的脉宽极窄，瞬问功率极高，既使平均输出功率为lW，峰值功率也能达到千瓦级至兆瓦级以上。飞秒激光器现已应用于以往纳秒脉冲激光器或连续波激光器无法应用的各种领域。 1990年，日本爱信精机公司以IMRA AmericaInc.的名字在美国成立了一家子公司，门从事飞秒光纤激光器的研发、生产、销售与应用开发工作。因此“IMRA”既是美国研究法人的名字，又是爱信精机公司生产的激光器的商标名称，这是在美国研究开发、日本制造的激光器。 1、飞秒光纤激光器的优点 1.1、小型轻便 光纤激光器在确保必要光学长度的同时，可将光纤卷成半径约3cm的环形。与固体激光器相比，光纤激光器的体积大幅缩小。光纤形态每单位体积的表面积大于棒状或片状晶体激光器，散热效果好，不需要冷却器等外围装置，因此在这方面又大幅缩小了激光器的体积。 1．2、高可靠性高稳定性 光纤激光器是由光纤部件组装而成。这些光纤部件采用电弧熔接的方法，因此光学轴长期无偏移，这种连接方法确保了光纤激光器的稳定性和可靠性。另外，IMRA激光器系统外部采购的元器件都严格选用高可靠性的光通信部件，这也对激光器系统的高可靠性提供了保障。 1．3、高光束质量 单模光纤输出的光是近乎理想的点光源，输出光束的圆度和强度分布较容易获得接近理想的高质量输出光束。飞秒光纤激光器在用于微细加工时，聚焦光束很容易达到透镜的聚焦极限，因此适于微细加工。 1．4、低功耗 现已广泛使用的钛宝石飞秒激光振荡器的晶体吸收波长在530nm附近，将大功率Nd：YAG激光器的波长转换成530nm来泵浦激光器，既需要大型Nd：Y AG激光器，又需要冷却器，其电能消耗很大。而光纤激光器则不需要冷却器，可以用二极管激光器直接泵浦。结果表明，飞秒光纤激光器的电光转换效率优于钛宝石飞秒激光器1个数量级。 2、飞秒光纤激光振荡器 虽然20世纪90年代初问世的飞秒光纤激光器的光学轴具有长期无偏移的特点，但因温度的变化等会使偏振面光纤旋转，从而导致输出功率的改变，因此需要偏振面的调整机构，并需要维护。 1994年，Fermann等人利用新结构的被动锁模飞秒脉冲激光振荡器实现了无调整运转。科研人员在谐振腔的两端对置法拉第转子，以往返运转来补偿因环境变化所引起的偏振旋
光纤激光器原理与特性详解
光纤激光器原理与特性详解 一、简介 光纤激光器，英文名称为Fiber Laser，是一种以掺稀土元素的玻璃光纤为增益介质来产生激光输出的装置。光纤激光器可在光纤放大器的基础上进行开发，由于光纤激光器中光纤纤芯很细，因此在泵浦光作用下，光纤内部功率密度高，使得激光能级出现“粒子数反转”现象，在此基础上，再通过正反馈回路构成谐振腔，便可在输出处形成激光振荡。
二、结构 光纤激光器的结构类似于传统的固体激光器、气体激光器，主要由泵浦源、增益介质、谐振腔三大部分构成，如下图所示。其中，泵浦源一般为高功率的半导体激光器，增益介质为掺稀土元素的玻璃光纤，谐振腔由耦合器或光纤光栅等构成。 三、原理 在上图中，由泵浦源发出的泵浦光通过一面反射镜耦合进入增益介质中，由于增益介质为掺稀土元素光纤，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经
过谐振腔，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。 四、特点 特点一：由于光纤纤芯直径小，在纤芯内容易形成高功率密度，因此光纤激光器具有较高的转换效率、较低的阙值、较高的增益、较窄的线宽、且可方便高效的实现与当前光纤通信系统的连接。 特点二：由于光纤具有很好的柔绕性，因此光纤激光器具有小巧灵活、结构紧凑、性价比较高、且更易于系统的集成的特点。 特点三：与传统的固体激光器、气体激光器相比，光纤激光器的能量转换效率较高、结构较紧凑、可靠性高、且适合大批量的生产。 特点四：与半导体激光器相比，光纤激光器的单色性较好、调制时可产生较小的啁啾和畸变、且与光纤的耦合损耗较小。
和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和光纤的耦合。 我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。 对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点： (1)阈值应越低越好; (2)输出功率与抽运光功率的线性要好; (3)输出偏振态; (4)模式结构; (5)能量转换效率;
飞秒激光器
可以使光速减慢的飞秒激光器
学员：1111414李鹏辉1111437王小平1111434田朝光1111415李曦 摘要：近年来，随着高新科技的发展，自超短频脉光学问世以来，已经历了25年的发展历程，而这时，飞秒激光器现已在工业加工中得到了应用。因为脉冲短的原因，飞秒激光器也就能拍摄到很多完全想象不到的画面。利用这个，可以对很多领域的学科进行更加细致，更加周密的系统性研究。 论文关键词：超短脉冲组合光玻色-爱因斯坦凝聚 飞秒的概念：飞秒是一种时间单位，1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即1e?15秒或0.001皮秒（1皮秒是，1e?12秒）,。它有多快呢?我们知道，光速是30万千米每秒，即 3×10^8m/s。而在1飞秒之内，光只能走0.3 μm，这只是不到一根头发丝的百分之一。 飞秒激光器是指利用锁模技术来获得的飞秒量级短脉冲的激光器。所谓飞秒，也叫做毫微微秒，即1飞秒只有10的负15次方秒。飞秒激光不是单色光，而是中心波长在800nm左右的一段波长连续变化光的组合，利用这段范围内连续波长光的空间相干来获得时间上极大的压缩，从而实现飞秒量级的脉冲输出。所采用的激光晶体为激光谱线很宽的钛宝石晶体。说白了就是一个可以以千兆分之一秒左右的超短时间放光的“超短脉冲光”发生装置。所谓脉冲光是仅在一瞬间放光。 超短脉冲激光器从上世纪80年代开始，经历了从染料到固体飞秒激光器的发展，开辟了科学和工业应用的新时代。但其昂贵的价格，庞大的体积，对环境的稳定性差等缺陷阻碍了飞秒激光的应用。探索新机理，突破现有飞秒激光局限，研制新一代飞秒激光成为世界范围内热门研究课题。自90年代初，光纤激光器利用半导体激光器泵浦，具有小巧、结构简单、无需水冷和可集成化的特点，逐步发展起来并成为钛宝石激光器强有力的竞争者和替代者。早期的飞秒光纤激光器，采用掺铒的通信光纤，工作波长1550nm，普通单模光纤色散为负，能提供与自相位调制对应的啁啾补偿，于是孤子锁模(Soliton mode locking)和展宽脉冲(Stretched pulse)锁模就成为主流机制。由于其倍频光的波长在775nm，经过拉曼移频可移到800nm附近，在商用激光器上，已经用作钛宝石放大器的种子脉冲。但是，由于铒光纤的掺杂浓度不能很高，以及锁模机制的限制，输出脉冲能量仍然很低（10pJ-10nJ量级），限制了此种光纤激光器的应用。进入新世纪后，随着高掺杂掺镱光纤激光器的发展，自相似(Self-similar)和全正色散(All-normal-dispersion)锁模理论被提出并在实验上获得证实，使光纤振荡器的单脉冲能量突破10n。 与其平行的是，90年代中期光子晶体光纤的问世，使得飞秒光纤激光器多了一个选择支。光子晶体光纤的主要特点是大模场面积光纤比普通的双包层光纤能更好地保持单模特性，在放大器上有重要应用。但是，光子晶体增益光纤特别是双包层大模场面积光子晶体光纤价格非常昂贵，远远高于晶体的价格；而且泵浦光的耦合需要在空间进行，对机械件稳定性能要求很高，不像普通单模光纤以及普通的双包层光纤有直接的光纤合成。 对于工作在1微米波段的光子晶体光纤，不同于普通的单模光纤，可以提供负色散，但也仅仅限于光纤芯径在1~2微米的光纤。在这样细的光纤中，孤子能量非常小，否则就会导致脉冲分裂，也不可能作为放大后的压缩器。由于以上缺点，除了放大器，光子晶体光纤做飞秒激光器振荡器并无明显优势。目前国内外报道的光子晶体光纤激光器，都是空间耦合的，并含有光栅对等需要空间的元件，不是低成本、抗击外部环境影响的封闭式结构。 光纤激光器的最大优点是小型化、封闭式及无水冷。如果反过来做成空间式的，那就只有效率高这样的优点，稳定性甚至不如固体激光器。因此，作为放大器的种子光源以及对小能量应用（脉冲能量小于1mJ，例如光波导的刻划、THz波的产生、精密时频传输、纠缠光子对的产生、泵浦探针测量等），普通单模光纤飞秒激光器以及普通大模场面积光纤飞秒放