光纤激光器的研究现状及发展趋势

虽然光纤激光器在 最 近 几 年 成 为 研 究 和 关 注 的热点 , 但光 纤 激 光 器 并 非 新 生 事 物 。就 在 激 光 器诞 生 后 的 第 二 年 即 196 1 年 , 美 国 光 学 公 司
( Ametican Op tical Corporation ) 的 E. Snitzer 采 用 灯
第 24 卷 第 4期 黄 石 理 工 学 院 学 报 Vol . 24 No. 4 2008 年 8 月 JOURNAL OF HUANGSH I I N STITUTE OF TECHNOLOGY Aug 2008
文章编号 : 1008 - 8245 ( 2008 ) 04 - 0001 - 05
00 0W 以上 。 IPG ( photonics ) 公 司 凭 借 在 20 00 年
件的限制 , 此后光纤激光器的发展基本停滞不前 。 高锟 和 Hockham 在 1 966 年 首 先 讨 论 了 利 用 光纤作为通讯介质的可 能 性
[4 ]
。此 后 光纤 在 通 信
领域得到较快发 展 。经 历 了 研 究 开 发 阶 段 ( 1966 ～1 976 ) 、 实用化 阶 段 ( 1 977 ～ 1 986 ) 后 迅 速 进 入 发展阶段即 198 6 年 以 后 的 大 规 模 光 纤 通 信 建 设 阶段 。由于光通 信 的 迅 猛 发 展 , 光 纤 制 造 工 艺 与 半导体激光器 生 产 技 术 日 趋 成 熟 , 基 于 石 英 光 纤 的定向耦合器 这 样 的 重 要 器 件 也 成 功 制 作 , 这 一 切为光纤激光器和放大器的发展 奠 定 了坚 实 的基 础。 到 20 世纪 8 0 年 代 中 期 , 世 界 各 地 的 许 多 研 究组开始进 行 光 纤 激 光 器 的 研 究 。从 此 , 光 纤 激 光器取得 了 长 足 的 发 展 。 19 85 年 英 国 南 安 普 敦 大学的研究组取得突出成 绩 。他 们 用 MCVD 方法 制作成功单模 光 纤 激 光 器 , 此 后 他 们 先 后 报 道 了 光纤激光器的调 Q 、 锁模 、 单纵模 输 出 以及 光 纤放 大方 面 的 研 究 工 作
S一波段 ( 1 280 ～1 350nm ) 、 C 一波段 ( 1 528 ～1 565nm ) 和 L 一波段 ( 1 561 ～1 620nm )
1. 3 光纤激光器的分类 光纤激光 器 种 类 繁 多 , 按 照 不 同 的 标 准 可 以 分成若干种类 , 具体分类如表 1 所示 。
种类
1 光纤激光器的基本原理和结构
1. 1 光纤激光器的原理 在光纤纤 芯 中 掺 入 稀 土 离 子 , 泵 浦 光 通 过 光 纤时 , 纤芯中的稀土离子吸收泵浦光 , 跃迁 到 激光
1. 2 光纤激光器的结构 光纤激光 器 的 基 本 结 构 由 增 益 介 质 、 谐振腔
与泵浦源组成 , 如 图 1 所 示 。增 益 介 质 为 掺 有 稀 土离子的光纤 芯 , 掺 杂 光 纤 放 置 在 两 个 反 射 率 经 过选择的腔镜 之 间 , 泵 浦 光 从 光 纤 激 光 器 的 左 边 腔镜耦合进入 光 纤 , 经 准 直 光 学 系 统 和 滤 波 器 得
较多 。
( a ) F - P 结构
图 1 光纤激光器基本结构示意图
图 2 为两种 光 纤 激 光 器 腔 型 结 构 图 。 ( a ) 为 常见的 F - P 腔结构 ; ( b ) 为利用 WDM ( wavelength
- division multip lexing ) 耦 合 器 来 构 成 的 腔 型 。将
的发展历程 ,对比总结了光纤激光器的优势 ,并提出了光纤激光器的发展趋势 ,对光纤激光器的研究具有参考 作用 。
关键词 : 光纤激光器 ;原理 ;发展趋势 中图分类号 : TN248 文献标识码 : A
Research Sta tus and D evelopm en t Trends of F iber La ser
Abstract: Fiber laser’s unmatched perfor mance advantages attracted the interest of researchers and attention of the in2 dustry. This paper reviewed the development of fiber laser, summarized its advantages and p resented the development trend, which offered reference to the research of fiber laser . Key words: fiber laser; p rincip le; development trend
观察到了 中 心 波 长 为 1. 06μm 的 受 激 辐 射 现 象 。 这是国 际 上 最 早 报 道 的 光 纤 激 光 器 纤中的光 放 大 结 果
[2] [1 ]
高功率掺 Yb 双包 层 光 纤 激 光 器 的 研 究 结 果 , 他 们用 4 个 45W 的 半 导 体 激 光 二 极 管 阵 列 组 成 总 功率 为 180W 的 泵 浦 源 , 在 波 长 1 12 0 nm 处 得 到
( b ) WDM 结构
图 2 两种光纤激光器腔型结构
两根或多 根 除 去 涂 覆 层 的 光 纤 以 一 定 的 方 式 靠 拢 , 在高温下 熔 融 , 同 时 向 两 侧 拉 伸 , 最 终 在 加 热 区形成双锥体 形 式 的 特 殊 波 导 结 构 , 实 现 传 输 功 率的耦合 。 WDM 耦 合 器 的 不 同 连 接 方 式 又 可 以 形成不同 的 腔 型 。 WDM 耦 合 器 在 光 通 信 中 使 用 表 1 光纤激光器分类表 分类方法 组成 按输出 光波分类 波段 按光纤截面结构分类 按谐振腔结构分类 按工作机制分类 按工作方式分类 按掺杂元素分类 模式 单波长光纤激光器和多波长激光器 单模光纤激光器和多模光纤激光器
距等方面有应用价值
[ 5, 11 - 12 ]
。
3+
19 94 年 , H. M. Pask 等人首先在掺 Yb 石英
光纤中实现了包层抽运 , 得到了最大 500mW 的 激 光输出 , 斜率效率达到 80 %
[ 13 ]
。此后 出 现 了高 功
率用有源光 纤 、 传输光纤 、 光 纤 反 射 镜 、滤 波 器 、 耦合器 、 隔离 器 和 光 束 组 合 器 等 光 纤 器 件 。 19 98 年 , Kosinki 和 Inniss 报 道 了 一 种 内 包 层 截 面 形 状 为星形的掺 Yb 双包层光纤 激 光 器 , 得到 了 20W 的激 光 输 出
近几年 , 光 纤 激 光 器 因 其 具 有 优 异 的 光 束 质 量、 非常高的 功 率 和 功 率 密 度 、 易于冷却 、 高的稳 定性和可靠性等多方面的优点引 起 了 研究 人 员和 应用者日 益 浓 厚 的 兴 趣 , 已 经 在 和 将 在 通 信 、 医 疗、 军事等领域大展身手 , 并在多种应用场 合 取代 目前常用的气体和固体激光 器 。光 纤 激光 产 品的 出现以及性能 的 不 断 改 善 , 必 将 加 快 激 光 在 各 种 领域的应用 , 从 而 提 高 工 业 生 产 水 平 和 人 们 的 生 活质量 。
收稿日期 : 2008 - 04 - 06 作者简介 : 黄楚云 ( 1964 — ) ,男 ,湖南安化人 ,高级工程师 ,博士 。
黄 石 理 工 学 院 学 报 2008 年 2
到输出激光 。从 理 论 上 来 说 , 只 有 泵 浦 源 和 增 益 光纤是构成光 纤 激 光 器 的 必 须 组 件 , 而 谐 振 腔 并 非必不可缺的组件 。谐振腔的选 模 和 增加 增 益介 质长度的作用 在 光 纤 激 光 器 中 是 可 以 不 用 的 , 因 长光纤本身可 以 非 常 长 , 从 而 获 得 很 高 的 单 程 增 益 , 而光 纤 的 波 导 效 应 又 可 以 起 到 选 模 的 作 用 。 但实际应用中 人 们 一 般 希 望 使 用 较 短 光 纤 , 所 以 多数情况下采用谐振腔 , 以引入反馈 。
光纤激光器的研究现状及发展趋势
黄楚云 闫旭东 杨 涛 夏红星
1 1 1 2
(1 湖北工业大学 理学院 ,湖北 武汉 430068; 2 咸宁学院 生物医学工程系 ,湖北 咸宁 437100 )
摘 要 : 光纤激光器以其无与伦比的性能优势吸引了研究人员的兴趣和产业界的重视 。回顾了光纤激光器
11 0W 的激光输出
[ 15 ]
。 196 4 年
C. J. Koester 和 E. Snitzer 又发表了多组份玻璃光
。不 久 以 后 , 光 纤 激 光 器 被
[3 ]
。
用于光学信 息 处 理 方 面 的 工 作
, 但由于当时条
进入 21 世纪后 , 高功率 双 包 层 光 纤 激 光 器 的 发展突飞猛进 , 最 高 输 出 功 率 记 录 在 短 时 间 内 接 连被 打 破 , 目 前 单 纤 输 出 功 率 ( 连 续 ) 已 达 到 2
单包层 、 多包层和光子晶体光纤激光器
F - P腔 、 WБайду номын сангаасM 谐振腔 、 光纤光栅谐振腔等
上转换光纤激光器和下转换光纤激光器 脉冲激光器和连续激光器
3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 掺饵 ( Er ) 、 钕 ( Nd ) 、 镨 ( Pr ) 、 钬 ( Ho ) 、 镱 ( Yb ) 、 3+ 铥 ( Tm ) 等 15 种
[5 - 6 ]
获得的 1 亿美 元 的 风 险 投 资 异 军 突 起 , 展 示 了 各 式光纤激光器和放 大 器 : S、 C、 L 波段的各种光纤 放大 器 、 高 功 率 的 EDFA 、 拉曼光纤激光器和双波 长拉曼光纤 激 光 器 。它 推 出 一 系 列 的 掺 Yb 高 功 率光纤激光 器 , 现 在 输 出 功 率 有 直 到 50 kW 的 产 品可供选择 。英 国 的 SP I、 德 国 的 IPHT 也 有 极 高 的研发和制造 水 平 , 它 们 也 加 入 到 新 产 品 的 市 场 竞争中来 。现在已经有多台千 瓦 级光 纤 激 光器 在 美国 、 欧洲 、 亚洲投入到工业加工或科学研究中 。 国内从 20 世纪 80 年代 开 始 这 个 领 域 的 研 究 工作 , 如上海光机所 、 清华大学 、 华中科技大学 、 中 国科学技术大 学 、 天津大学以及邮电部和电子部 所属的一些研究单位 , 在光纤激光器 、 放 大 器和 相 关器件的研究中都取得了一定的进展