光纤激光器.ppt

5.8超短脉冲光纤激光器 1
• 美国Calmar公司飞秒光 纤激光器。FPL-0X-XX
• 波长范围：1535-1560 nm可调或范围内固定
• 重 复 频 率 ： 20M 或 1050M可调，
• 脉 宽 ： <100fs-1000fs 可 调或范围内固定，平均 输出功率：50-100mW
• 超短脉冲光源可以用做 大型激光系统的种子光 源，同时在时间定标等 领域有重要的应用
2.2 光纤激光器的谐振腔
2.2.1 Fabry-Perot腔： 将增益介质放置于两块具有高反射率的镜子中
间而组成。此种结构简单、方便。
• 最常见的F-P腔是：用光纤光栅WDM耦合器 或光纤环路镜代替介质镜。
• 由于掺杂光纤本身的增益较大，光纤端面输 出藕合器往往只是采用光纤端面抛光形成的 镜面;利用玻璃与空气界面片的镜面反射作为 输出耦合镜。
光纤激光器
• 光纤激光器的发展历程 • 光纤激光器的基本原理 • 光纤激光器与其它激光器比较 • 几种实用的光纤激光器及其应用
1.光纤激光器的发展历程
2.光纤激光器的基本原理
• 工作物质：掺杂光纤； • 谐振腔：光纤环与两个反射镜组成； • 泵浦源：一般采用半导体激光器泵浦。
2.1 双包层稀土掺杂光纤
DBR型窄线宽光纤激光器
5.6 窄线宽光纤激光器 1
• NP Photonics 公司的窄 线宽光纤激光器
• Very narrow linewidth (long coherent length) <3 kHz
• Up to 150 mW output power
• Single longitudinal mode • Single polarization
5.7 超窄线宽光纤激光器在激光测距中的应用
超窄线宽光纤激光器能够广泛应用于几百公里的激光 目标指示和激光测距。一套超远距离的激光指示/测距由激 光器、准直器和接收器、信号分析仪组成。窄线宽激光器的 频率成线性快速调制，通过测量从目标处反射回来的的信号 光与参考光一起混频产生光电流便可获取远处的信息。
• redPOWERTM 紧凑激 光模块 (2W-10W)
• 最大输出可达10W， 波长1μm
5.2 大功率双掺杂光纤激光器 2
• IPG公司的大功率光纤 激光器YLR-SM Series
• 100W to 1.5kW output Optical Power
• 1060 to 1080nm Wavelength Range
• >100khrs Estimated Pump Diode MTBF
5.3 光纤激光器打标系统
• 大功率双包层光纤 激光器打标系统的 光路图
• JDS Uniphase's Continuous Wave (CW) Fiber Laser Marking (FLM) System
5.3 光纤激光器打标系统的应用 1
2.1.1 掺杂稀土离子
是光纤激光器的核心，它决定着对光泵浦 的吸收和激射光谱，稀土元素通常以三价形式 发生离化。
稀土离子在光纤中的掺杂浓度是非常重要 的，浓度太低得不到足够的离子数实现激射， 浓度过高又会引起浓度碎灭和结晶，从而降低 激发态能级的粒子数。对于某一种光纤其掺杂 浓度通常存在一个最佳的掺杂浓度。
激光器只有5％； • 光束质量好。
和YAG激光器比较 • 光光转换效率高，光纤激光器的转换效率为70％，YAG只有20％； • 使用寿命长； • 无需复杂的冷却系统； • 容易调节； • 光纤传输，不怕污染，光束质量好。
光纤激光器与YAG固体激光器的价格比较
5.几种典型的光纤激光器及其应用 5.1大功率光纤激光器
5.8 高速短脉冲光纤激光器
美国Calmar公司10G皮 秒光纤激光器 PSL-10XX
• 波 长 范 围 ： 1530-1565 nm可调或范围内固定
• 重复频率：5-11G可调或 10G固定，脉宽：1-10ps 可调或范围内固定，平 均输出功率：>20mW
• 高速短脉冲光源对于光 时分复用系统，光学取 样技术等有重要的意义，
2.2 环型谐振腔
（1）不需使用反射镜， 可做成全光纤谐振腔。
（2）可以用来产生线 宽非常窄的激光器。
（3）波长可以由可调 F-P滤波器控制，而不 是由光纤环的长度控制。
（4）光隔离器可以抑 制反向传播的激光模式。
3.光纤激光器的泵浦结构
泵浦结构的设计是高功率光纤激光器的一项关键技 术。在初始研究阶段端面泵浦和侧向泵浦结构被广泛采 用，端面泵浦技术受包层横截面积的限制影响泵浦功率 进一步提高。而侧向泵浦技术由于采用透镜准直聚焦而 使系统稳定性下降，不利于实用化。
operation
5.6 窄线宽光纤激光器 2
• 美国Polonyx公司的窄线 宽光纤激光器
• linewidth 5 kHz • Up to 200 mW
output power
• 输出稳定性（8小时）： ±0.05dB
5.7 超窄线宽光纤激光器在光纤传感中的应用
• 它的基本应用原理就是频率调制连续波技术（FMCW），在FMCW技术中， 激光输出频率围绕它的中心频率不断变化，而激光的一部分光被耦合进一个 有固定反射率的参考臂中，在外差相干探测系统中，该参考臂就充当了一个 本地振荡器的作用。充当传感作用的是另一跟很长的光纤。从传感光纤反射 回来的激光与来自本地振荡器的参考光一起混合产生一个光拍频，该频率与 它所经历的时间延迟差相对应。传感光纤上的远处信息就可以通过测量光谱 分析仪上的光电流的拍频来获取。传感光纤上的分布式反射可以是最简单的 瑞利后向散射。通过这种相干探测技术，敏感度低至-100db的信号都能很轻 易地探测到。对于任何一套相干FMCW技术系统而言，最关键的部分是要一 台相干长度很长的光源来实现很高的空间精度和大的测量范围。
这种“任意形状”的光纤激光器有望实现更高的激 光功率输出。
3.光纤激光器的泵浦结构
4.光纤激光器和其它激光器比较
和二氧化碳激光器比较 • 有更高峰值功率的脉冲激光，可以加工的材料种类更多； • 使用方便，采用光纤传输可以有更大的扫描范围； • 能量转换效率高，光纤激光器的电光转换效率为25％，而二氧化碳
5.8 超短脉冲光纤激光器 3
• 美国Polaronyx公司飞 秒光纤激光器（模块）
• 波长范围：1530-1600 nm内固定
• 重 复 频 率 ： 35-60MHz 范围内固定
• 脉宽：100fs（典型） • 平均功率：100mW • 峰值功率：0.5-20KW
6.光纤激光器前景与展望
目前，光纤激光器可实现800nm－2100nm波段的激光输出， 最大功率已达到万瓦量级，应用在光通信、激光加工、激光 打标、图像显示、生物工程、医疗卫生等领域。
未来光纤激光器的发展趋势：
（1）光纤激光器本身性能的提高。如何提高输出功率和转换效 率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并 使其更加小巧紧凑将是未来光纤激光器领域研究的重点。
（2）新型光纤激光器的研制。 在时域方面，具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器
一直是激光领域研究的热点，高功率飞秒量级脉冲光纤激光 器一直是人们长期追求的目标，该领域研究的突破不仅可以 给光通信时分复用（OTDM）提供理想的光源，而且可以有 效带动激光加工、激光打标及激光加密等相关产业的发展。
近年来人们在高功率光纤激光器泵浦结构方面又有 一些新的探索，日本科学家提出“任意形状激光器”方 案，该方案将掺稀土元素光纤盘成圆盘状或圆柱状等不 同形状，在光纤缝隙间填充与光纤包层同折射率的材料， 泵浦光从边缘注入，这样泵浦光的吸收面积比单根双包 层光纤内包层的面积大大增加，而且泵浦光多次通过掺 杂纤芯，也将使掺杂元素对泵浦光吸收更加充分。
在频域方面，宽带输出可调谐的光纤激光器将成为研究热 点
The end !
• 激光雕刻， 右图为激光 雕刻的示意 图
• 下图为激光 雕刻的图形
5.3 光纤激光器打标系统的应用 2
• 光纤激光器可以用于 材料的改性，右图为 示意图
• 下图为材料改性的例 子
5.3 光纤激光器打标系统的应用 3
• 大功率光纤激光 器可以wenku.baidu.com于激光 切割和剥离。右 图为示意图
• 下图为剥离出来 的图形
5.4 连续激光和脉冲激光打标的比较
左图为连续打标系统的效果，右图为脉冲激光 打标系统的效果。
5.5 窄线宽光纤激光器
• 实现窄线宽的相关技术
主要采用光纤光栅或者 光纤F-P干涉仪等滤波 器进行线宽压缩；
• 窄线宽光纤激光器的应 用：
窄线宽光纤激光器的相 关长度长，在相关光通 信系统，光纤传感系统， 光学测量系统中有很好 的应用前景。
• 实现大功率输出的主要技术： 采用包层泵浦技术，采用特种光纤作为增益 介质，同时采用特种材料制造光纤.
• 大功率光纤激光器的应用： 激光加工，激光医疗和军事。
5.2 大功率双掺杂光纤激光器 1
• 英国SPI公司的大功率 光纤激光器
• redPOWERTM 高功率 光纤激光模块-1550nm
• 输出最大可达 4W，波 长1.5 μm
2.1.2 双包层光纤的结构
对于圆形内包层的双包层光纤，由于大量螺旋光的存在，纤芯 的吸收效率只有10％，因此内包层形状设计也是提高泵浦吸 收效率的关键。 按照泵浦光被吸收程度高低排序是：
矩形内包层（最高），D形内包层，偏芯结构和同心 圆形内包层。
各种非圆对称结构内包层几乎达到百分之百的
高吸收效率。原因在于：破坏了泵浦光在圆形内包 层中的螺旋光的传播，改变了光线在光纤中的分布， 使得泵浦光在有限的距离内更充分的经过纤芯被掺 杂离子吸收。
5.8 超短脉冲光纤激光器 2
• IPG 公司的飞秒光纤激 光器
• Up to 50kW Peak Power
• <5ps Pulse Duration • Up to 200nJ per Pulse • Up to 10W average
power • >100,000hrs Pump
Diodes Life