光纤激光器

光纤激光器

1、激光器基本结构

激光器由三部分组成：泵浦源、增益介质、谐振腔。

图

1 激光器基本结构示意图

1.1 原子能级间受激吸收与受激辐射

E 1E 2E 1

E 2受激吸收E=E 1-E 2

E

1E 1

E 2E 2

E=E 1-E 2

受激辐射

E=E 1-E 2E=E 1-E 2图2 受激吸收与受激辐射示意图

受激吸收为在能量为E 入射光子的作用下，处在低能级E 1的粒子吸收能量E 跃迁到高能级E 2的过程。

受激辐射为在入射的能量为E 的光子的作用下，处在高能级E 2的粒子受激

发，跃迁到低能级E 1，同时辐射出与入射光子E 状态相同的光子的过程。

1.2 激光产生过程

如图1，激光器由泵浦源、增益介质、谐振腔组成。增益介质为主要产生激光的工作物质。由于粒子处在低能级比处在高能级稳定，因此通常情况下，物质粒子按照玻尔兹曼分布规律分布，即高能级粒子比低能级粒子少。泵浦源为增益介质提供能量，使增益介质中的低能级粒子吸收能量，受激吸收，向高能级跃迁，使高能级处粒子数高于低能级粒子数，这种分布规律称为粒子数反转分布，使增益介质中积累了大量能量。当有高能级粒子向低能级自发跃迁并释放出光子时，大量高能级粒子在初始光子作用下受激辐射，释放出大量状态相同，即波长相同、能量相同、方向相同、偏振态的光子。这种在泵浦源与增益介质共同作用下使初始光子通过受激辐射效应放大而产生的光即为激光。

对特定波长激光全反射的输

入镜与对该波长激光部分反射的

输出镜构成光学谐振腔。谐振腔

主要有两方面作用：一是提供轴

向光波的光学正反馈；二是控制

激光震荡模式特性。由于输出镜具有部分反射率，它可以使通过增益介质放大的光一部分通过透镜射出腔外，获得我们需要的特定波长的激光，另一部分反射回谐振腔，再由于输入镜对激光具有全反率，从而使轴向光波在谐振腔中往返传播，多次通过激活介质，在腔内形成稳定的自激振荡。由于谐振腔镜只对特定波长的光镀全反射膜和部分反射膜，因此只有特定波长的光能产生自激震荡。通过设计不同形状和不同反射率的谐振腔镜，我们可获得不同模式，不同波长的激光。

图4为一个简单的固体激光器结构示意图。

图4 固体激光器结构示意图

图3 谐振腔示意图

半导体激光器（Laser Diode-LD）作为泵浦源，波长为808nm。通过聚焦透镜聚焦到益介质Nd:YVO4（在808nm出具有吸收峰值）上。输入镜M1对808nm 镀增透膜，对1064nm镀全反射膜（R>99%），输出镜M2对1064nm激光镀部分反射膜，M1与M2构成谐振腔。作为增益介质的Nd:YVO4晶体吸收半导体激光器发出的808nm激光，低能级粒子向高能级跃迁，经过一起练跃迁过程形成粒子数反转分布，此时有高能级粒子自发向低能级跃迁，释放出光子，即为初始光子，在初始光子的作用下大量高能级粒子受激辐射，向低能级跃迁，释放出大量与初始光子状态相同的光子，由于谐振腔镜对1064nm镀反射膜，因此谐振腔中只有1064nm激光往返传播产生激光震荡，这样从M2输出1064nm激光。

由于激光增益介质种类不同，激光器可分为固体激光器（增益介质为红宝石、Nd:YAG、Nd:YVO4等）、气体激光器（He-Ne激光器、CO2激光器等）、光纤激光器（增益介质为掺杂稀土离子的光纤）、半导体激光器（增益介质为半导体PN 结）等。通常传统固体激光器采用闪光灯作为泵浦源，全固态激光器以及光纤激光器采用半导体激光器作为泵浦源（掺Nd晶体吸收峰值在808nm，掺Yb光纤吸收峰值在915nm），半导体激光器采用电流作为泵浦源。我们可以看出，采用电流泵浦的半导体激光器能量转化效率最高，但由于半导体激光器光束质量差的原因，通常作为光纤激光器及全固态激光器的泵浦源使用。近年，采用半导体激光合束技术改善半导体激光器光束质量成为新的课题。

2、光纤激光器

2.1光纤激光器原理

光纤激光器采用半导体激光器作为泵浦源，掺杂稀土离子的双包层光纤作物质工作物质，有光纤光栅构成激光谐振腔。图5为双包层光纤结构示意图。

外包层

纤芯

外包层

内包层

抽运光

图5 双包层光纤机构示意图

通常传输光纤为单包层光纤，纤芯折射率较高，由于全反射效应，使光只能

在纤芯中传播。而双包层光纤在纤芯外包层分为内包层和外包层，折射率有闲心向外包层逐级减小，从而使内包层与外包层相比，类似一个大的纤芯，是泵浦光在内包层传播，纤芯中掺杂稀土离子，构成增益介质，使泵浦光在内包层传播过程中通过纤芯而被稀土离子吸收，产生受激吸收，继而形成粒子数反转分布。

图6为光纤激光器结构示意图。

光纤激光器泵浦源通常采用末端带尾纤的光纤耦合半导体激光器，通过光纤熔接的方式将半导体激光器尾纤与增益光纤熔接，从而将泵浦光直接导入增益光纤。如图所示，光纤激光器通常采用光纤光栅构成谐振腔。光纤光栅由于布拉格衍射效应，可以对特定波长具有一定反射率。如在我公司大功率连续光纤激光器项目中，输入端光纤对1080nm波长光反射率大于99%，对泵浦光915nm激光具有很高透过率，输出端光栅对1080nm激光具有部分反射率，从而使激光器输出1080nm激光。

掺Yb增益光纤

输入端光纤光栅输出端光纤光栅

图6 光纤激光器机构示意图

2.2 光纤激光器优势

光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有较高的稳定性、卓越的光速质量、简单的使用方法等特点。在激光加工中，与传统CO2激光器和灯泵浦固体激光器相比，具有易于制冷、易于维护、能量转化效率高等优点。尤其与传统大功率CO2激光器相比，由于其波长接近近红外波段，更容易被金属等物质吸收，在激光切割与焊接领域，有着更高的优势。

3、光纤激光器中所涉及的几项重要技术

3.1 光纤切割、熔接

全光纤结构的光纤激光器因为其所有器件都是全光纤化的，这也使得全光纤激光器具有结构稳定，输出光束质量好，损耗低等特点。主要是利用光纤熔接技术将各个自带尾纤的器件之间相连接的，各熔点的好坏直接影响整个系统的各项光学参数。在大功率全光纤激光器中，如果一个熔点损耗过大熔点漏光严重，这

非常容易导致在激光器工作时光纤的烧毁。

造成光纤熔点损耗过大的两大主要因素：

光纤自身原因：不同器件之间的光纤数值孔径不匹配或者数值孔径值有一定差异；纤芯各类形状不匹配；光纤本身的纤芯与包层在制作过程中不是完全对称；

光纤熔接过程中人为或者是熔接机本身存在的问题：在熔接单模光纤时，由于单模光纤的纤芯非常细，如果熔接机分辨率稍微差一点，那么两根光纤的轴芯在对接的过程中很难对准；光纤在切割时有时会带有一定的斜角两个对接的光纤端面就会存在倾斜，相对接的纤芯将导致有角度的倾斜，导致光在纤芯中损耗过大；熔接机放电电量较少，两个断面未完全融化就将其对接上，导致熔点非常的脆弱，传光特性也不好，而且在受到外力时特别容易产生端面的断裂；熔接端面是否平整对熔接效果有直接的影响，如果端面角度过大，则会导致光纤损耗的增大；熔接前光纤端面未处理干净等；

光纤熔接过程的一般步骤：

（1）双包层光纤涂覆层的无损剥除过程。涂覆层的剥除主要的方法有剥线钳剥除，加热切割拉制剥除，用腐蚀融剂对涂覆层腐蚀后剥除等。无论是哪一类方法剥除，在剥除过程中都不能损伤包层，并且剥除完涂覆层后应将剥掉涂覆层的部分用脱脂棉或者无尘纸蘸高浓度酒精擦干净，避免涂覆层上有杂物影响后面的实验效果。包层直径在128μm左右的光纤一般采用剥线钳直接剥除其涂覆层。如果包层直径是250μm及以上的光纤采用加热熔掉涂覆层再切割的方法剥除。

（2）端面的切割。在光纤切割中，对切割刀刀头每次的推进距离也要按照实际情况来设定，不同直径的光纤采用拉力大小不同的切割刀。尽量将光纤端面切为无斜角的平面，端面没有残缺等。在实际的切割过程中0°角是很难实现的。只要切割角度不是明显过大，切角一般控制在2°以下。128μm包层直径左右的光纤端面切割使用手动切割刀，包层直径250μm左右及以上的光纤采用拉力较大的切割刀。

（3）光纤熔接的过程。相对于不同的光纤采用合适的光纤熔接程序，这是熔接的首要条件。将端面处理完毕的光纤使用与各自尺寸相对应的夹具（250μm、400μm、600μm）夹持，再将夹具连同光纤放进熔接机的夹具卡槽内，扣上光纤固定器，选择最佳的熔接程序、调节放电量、放电时间等，启动程序，熔接机会

自动进行位置校准、光纤熔接距离推进、纤芯或者包层轴对准（旋转对准和XY 轴对准）、放电熔接。在熔接完后系统用其原有的程序分析熔点的损耗大小。大芯径光纤熔接问题较多，例如：损耗过大，熔点有气泡，熔点存在残缺等。数据显示的损耗值一般不是太大，但是实际损耗必须在实验中通过对实验数据的计算才能确定。

3.2光纤涂覆技术

为了熔接光纤，我们已经将熔点附近的一小段涂覆层剥除，熔点附近裸露的光纤少了涂覆层的保护，裸露的光纤特别容易粘上灰尘或者断裂，特别是熔点，非常容易折断，这也就需要对剥除涂覆层剥除段采取相应的保护措施。在本文的实验中我们主要采用再涂覆的办法来保护光纤熔点。选取实验中所需求的不同折射率的涂覆液对剥除段进行涂覆，在涂覆机中将涂覆液均匀覆盖在熔点上，并要确保被剥除涂覆层的裸露光纤完全被覆盖，涂完后用涂覆机自带的紫外灯将涂覆液凝固。