光纤激光器研究进展
光纤激光器泵浦源国内外研究进展
光纤激光器泵浦源国内外研究进展一、引言光纤激光器泵浦源是激光器的重要组成部分，它是通过泵浦光源将能量传递给激光介质，从而实现激光器的激发和放大。
光纤激光器泵浦源在激光技术应用中具有广泛的用途，包括通信、医疗、材料加工等领域。
本文将对光纤激光器泵浦源的国内外研究进展进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、国内光纤激光器泵浦源研究进展2.1 传统泵浦源• 2.1.1 氙灯泵浦源• 2.1.2 二极管泵浦源• 2.1.3 激光二极管泵浦源2.2 高效泵浦源• 2.2.1 锐利激光泵浦源• 2.2.2 外腔激光泵浦源• 2.2.3 共振器激光泵浦源2.3 小型化泵浦源• 2.3.1 光纤型泵浦源• 2.3.2 集成型泵浦源• 2.3.3 微型泵浦源2.4 其他新型泵浦源• 2.4.1 飞秒激光泵浦源• 2.4.2 高功率泵浦源• 2.4.3 纳秒脉冲泵浦源三、国外光纤激光器泵浦源研究进展3.1 欧洲研究进展• 3.1.1 德国泵浦源研究• 3.1.2 英国泵浦源研究• 3.1.3 法国泵浦源研究3.2 美国研究进展• 3.2.1 斯坦福大学泵浦源研究• 3.2.2 麻省理工学院泵浦源研究• 3.2.3 加州大学泵浦源研究3.3 亚洲研究进展• 3.3.1 日本泵浦源研究• 3.3.2 韩国泵浦源研究• 3.3.3 中国台湾泵浦源研究四、光纤激光器泵浦源的应用领域4.1 通信领域• 4.1.1 光纤通信泵浦源• 4.1.2 光纤放大器泵浦源• 4.1.3 光纤激光器泵浦源4.2 医疗领域• 4.2.1 激光治疗泵浦源• 4.2.2 光动力疗法泵浦源• 4.2.3 激光手术泵浦源4.3 材料加工领域• 4.3.1 激光切割泵浦源• 4.3.2 激光焊接泵浦源• 4.3.3 激光打标泵浦源五、结论本文全面、详细、完整且深入地探讨了光纤激光器泵浦源的国内外研究进展。
通过对传统、高效、小型化和其他新型泵浦源的研究进行总结，可以看出光纤激光器泵浦源的发展方向。
光纤激光器研究报告
光纤激光器研究报告近年来，随着信息技术的快速发展，光通信和光存储技术的需求不断增加，光纤激光器作为一种重要的光源设备，其研究和应用也越来越受到关注。
本文将从光纤激光器的基本原理、研究现状、应用前景等方面进行探讨。
一、光纤激光器的基本原理光纤激光器是一种利用光纤作为激光介质的激光器。
其基本结构包括光纤、光纤耦合器、泵浦光源、光纤光栅等。
泵浦光源通过光纤耦合器将能量输送到光纤中，光纤光栅则用于调制光纤中的光场，使其产生激光输出。
光纤激光器的输出波长和功率可以通过调节光纤光栅的参数来控制。
光纤激光器的工作原理是基于光纤的增益介质特性。
当泵浦光经过光纤时，会激发光纤中的掺杂物（如铒离子、钕离子等）发生跃迁，产生光子，并激发周围的光子参与共振反馈，形成光纤中的激光场。
光纤激光器具有波长可调、功率稳定、光斑质量好等优点，因此在光通信、激光加工、医学等领域有广泛的应用。
二、光纤激光器的研究现状目前，光纤激光器的研究主要集中在以下几个方面：1.光纤激光器的波长调制技术光纤激光器的波长调制技术是实现光纤激光器波长可调的关键技术之一。
目前，波长调制技术主要包括电光调制、热光调制、机械调制等。
其中，电光调制技术是最常用的一种技术，其原理是利用电场控制光纤光栅的折射率，从而调制激光的波长。
2.光纤激光器的高功率输出技术光纤激光器的高功率输出是实现光纤激光器广泛应用的必要条件之一。
目前，高功率输出技术主要包括多段光纤放大、光纤叠加等。
多段光纤放大技术通过将光纤分成多段进行放大，从而提高激光器的输出功率。
光纤叠加技术则是利用多根光纤叠加的方法，将多个低功率的激光器输出合并成一个高功率的激光器输出。
3.光纤激光器的光学降噪技术光学降噪技术是提高光纤激光器光斑质量的关键技术之一。
目前，光学降噪技术主要包括光纤光栅滤波、光纤光栅反馈等。
其中，光纤光栅滤波技术是将光纤光栅的带通滤波器替换为带阻滤波器，从而实现对光纤激光器输出波长的滤波。
光纤激光器泵浦源国内外研究进展
光纤激光器泵浦源国内外研究进展一、引言光纤激光器泵浦源是一种重要的激光器泵浦方式，其具有高效、稳定、可靠等优点，在现代科学技术领域得到广泛应用。
本文将从国内外研究进展的角度来探讨光纤激光器泵浦源的相关研究。
二、国内外研究进展1. 国内研究进展在我国，关于光纤激光器泵浦源的研究已经有了较大的进展。
例如，中国科学院上海光学精密机械研究所利用高功率半导体激光器作为泵浦源，成功实现了Nd:YAG晶体连续脉冲放大器的实验室样机。
同时，该所还开发出了一种新型的高功率半导体激光器泵浦Nd:YAG晶体脉冲放大系统，并成功地将其应用于雷达遥感领域。
2. 国外研究进展在国外，对于光纤激光器泵浦源的研究也十分活跃。
例如，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发出了一种高功率光纤激光器泵浦源，该源利用了一种新型的双核光纤技术，能够输出高达10千瓦的功率。
同时，欧洲空间局也研制出了一种基于光纤激光器泵浦源的激光通信系统，该系统在太空环境下表现出了极强的抗干扰能力。
三、技术特点1. 高效性相比于传统的泵浦方式，光纤激光器泵浦源具有更高的转换效率和更低的损耗率。
这是因为在其工作过程中，直接将电能转化为激光能量，从而避免了传统泵浦方式中由于多次反射产生的损耗。
2. 稳定性由于其采用了先进的稳定控制技术和高质量材料，在使用过程中能够保持长时间稳定运行，并且不会受到外界环境因素的影响。
3. 可靠性相比于其他泵浦方式，如闪光灯泵浦、电子束泵浦等，光纤激光器泵浦源具有更长的使用寿命和更高的可靠性。
这是因为光纤激光器泵浦源的核心部件——光纤，具有较高的抗辐射和抗损伤能力。
四、应用领域1. 激光加工领域在激光加工领域，光纤激光器泵浦源已经成为了主流泵浦方式。
例如，在金属切割、焊接、打标等方面都得到了广泛应用。
2. 激光医疗领域在激光医疗领域，光纤激光器泵浦源也发挥着重要作用。
例如，在皮肤美容、癌症治疗等方面都得到了广泛应用。
3. 激光通信领域在激光通信领域，基于光纤激光器泵浦源的系统也被广泛使用。
3μm 光纤激光器的研究进展
3μm 光纤激光器的研究进展杨伟;段云锋;王强;张秀娟;邓明发【摘要】The 3 μm laser plays an important role in the lasermedicine.Owing to the potential of fiber laser,the re-search on 3 μm fiber laser has great significance and value.The principle and research progress of the 3 μm fiber la-ser doped different rare earth ions are summarized,and several ZBLAN fiber lasers doped different ions are intro-duced.At the end,the faced problems of the 3 μm fiber laser are analyzed,and development tendency in the future is pointed out.%3μm 波段的激光在激光医疗等领域发挥着重要的作用，同时鉴于光纤激光器的突出优点，使研究3μm 波段的光纤激光器具有极高的应用价值。
本文从不同的掺杂稀土离子角度对3μm 波段光纤激光器的工作原理和研究状况进行了简要概述，介绍了几种不同离子掺杂的 ZBLAN 光纤激光器。
最后分析了当前3μm 波段光纤激光器发展所面临的问题和今后的研究方向。
【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】5页(P471-475)【关键词】3 μm;光纤激光器;工作原理;研究进展【作者】杨伟;段云锋;王强;张秀娟;邓明发【作者单位】北京东方锐镭科技有限公司，北京 100015;北京东方锐镭科技有限公司，北京 100015;北京东方锐镭科技有限公司，北京 100015;北京东方锐镭科技有限公司，北京 100015;北京东方锐镭科技有限公司，北京 100015【正文语种】中文【中图分类】TN248.11 引言由于3μm波段的激光被水分子强烈吸收，同时Ca、P等也对其具有很高的吸收率，所以该波段激光可被用于切割多水份的生物软组织以及骨骼，应用在激光手术中有着凝血迅速和手术创面小的优点［1］。
光纤激光器的理论与实验研究
光纤激光器的理论与实验研究光纤激光器是一种利用光纤作为工作介质的激光器。
相比于传统激光器，光纤激光器具有结构简单、体积小、功率稳定等优点，因此在光通信、医疗、工业加工等领域得到广泛应用。
本文将介绍光纤激光器的基本原理、结构和性能，并重点探讨了光纤激光器的实验研究进展和应用前景。
一、光纤激光器的基本原理和结构光纤激光器的工作原理基于三个部分：激光介质、激光刺激源和反射器。
光纤激光器与传统激光器最大的不同在于光纤作为激光介质。
激光刺激源可以是电流、光或热等刺激方式，可以通过电子激发将参数转化为光信号，进而在光纤内扩散并被反射器反射形成激光器。
光纤激光器的结构、形式比较多样，但它们一般包括：激光介质、激光刺激源、反射器、光纤耦合器、光学输出部分。
其中，激光介质是光纤，由于光纤的细长、柔性、低价格、可靠性高等特点，提高了光纤激光器的光学特性，比如波导效应，从而实现了实际应用的复杂化程度。
激光刺激源选择与否，一般根据不同应用场合有区别，在医疗领域如SOLED为主流光源，但在工业领域，高压氙或钠灯光源通常采用。
反射器是锥形反射器或圆柱形镜反射器，两者的反射作用都可达到100%。
光纤耦合器主要用于将激光器的输出与其他的光学设备相连，各种传感器、医疗领域、工业领域都可以使用。
光学输出部分是机械永久码和钛焦散镜的组合，多项光学组件共同完成激光输出成型。
二、光纤激光器的性能特点光纤激光器具有很多优点，比如小体积、低噪声、功率稳定等，这些特点使其在各个领域中受到了广泛应用。
（1）大功率输出光纤激光器可以产生1W-100kW持续功率输出，而且功率稳定，颜色较浅。
随着技术不断发展，光纤激光器在功率输出上的性能不断得到提升。
（2）宽波段光纤激光器可以产生宽波段光信号，从紫外线到红外线都可以实现输出，具有很高的信噪比和相干特性。
多种波长的信号可以在同一个光纤内同时传输和操控。
（3）高可靠性由于光纤激光器的光学部件与常规激光器的光学元件相比，具有比较好的机械结构和散热系统，因此在使用时也具有较高的可靠性。
前沿科技中科院科学家研究二维纳米材料锁模全光纤激光器获进展
前沿科技中科院科学家研究二维纳米材料锁模全光纤激光器获进展中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理重点实验室L07组科学家团队一直致力于超快激光的研究，近年来针对小型化飞秒激光的发展，先后实现了多类晶体及光纤激光的可饱和吸收被动锁模。
通过使用脉冲激光沉积方法将锑化碲拓扑绝缘体材料均匀生长在拉锥光纤的表面所形成的可饱和吸收体，首次实现了光纤激光的混合锁模，得到了70 fs的输出脉冲结果。
通过使用具备超短电子弛豫时间的二硫化钨作为可饱和吸收材料，结合减小拉锥光纤的纤芯直径，得到了67 fs锁模脉冲输出，验证了该混合锁模光纤激光具有脉宽更短、定时抖动更低等优点。
此外针对暗孤子产生技术的限制，通过理论计算Ginzburg- Landau方程中光纤激光器的增益、损耗、色散和非线性等参数的关系，理论分析了暗孤子脉冲形成的动力学机制，获得了信噪比高达94 dB的结果，实验上实现了最宽光谱的暗孤子脉冲输出。
最近该研究组与北京邮电大学合作，将二硫化钨作为饱和吸收材料用于光纤激光锁模，进一步实现了脉宽246 fs的锁模脉冲激光输出，据知这是迄今为止过渡金属硫化物全光纤锁模激光器所产生的最短脉宽报道。
相关结果发表在新出版的一期Nanoscale(2017, 9: 5806)上，并被该杂志选为Highlights进展作为Inside front cover论文刊出（如图所示）。
该项研究获得了科技部“973”项目（2012CB821304）及国家自然科学基金项目（批准号11674036, 11078022 和 61378040）的支持。
相关论文：[1] Wenjun Liu, Lihui Pang, Hainian Han, Wenlong Tian, Hao Chen, Ming Lei, Peiguang Yan and Zhiyi Wei, 70 fs mode-locked erbium doped fiber laser with topological insulator, Scientific Reports, 6 (2016) 19997.[2] Wenjun Liu, Lihui Pang, Hainian Han, Mengli Liu, Ming Lei, Shaobo Fang, Hao Teng and Zhiyi Wei, Tungsten disulfide saturable absorbers for 67 fs mode-locked erbium-doped fiber lasers, Optics Express, 25 (2017) 2950-2959.[3] Wenjun Liu, Lihui Pang, Hainian Han, Wenlong Tian, Hao Chen, Ming Lei, Peiguang Yan and Zhiyi Wei, Generation of dark solitons in erbium-doped fiber lasers based Sb2Te3 saturable absorbers, Optics Express, 23 (2015) 26023-26031.[4] Wenjun Liu, Lihui Pang, Hainian Han, Zhongwei Shen, Ming Lei, Hao Teng and Zhiyi Wei, Dark solitons in WS2 erbium-doped fiber lasers, Photonics Research, 4 (2016) 111-114.[5] Wenjun Liu, Lihui Pang, Hainian Han, Ke Bi, Ming Lei and Zhiyi Wei, Tungsten disulphide for ultrashort pulse generation in all-fiber lasers, Nanoscale, 9 (2017) 5806-5811.图：Nanoscale(2017, 9: 5806)论文被选为该期Inside front cover论文刊出（来源：中国科学院）。
浅析温稳定多波长光纤激光器技术进展
浅析温稳定多波长光纤激光器技术进展摘要：温稳定多波长光纤激光器是一种具有重要应用前景的激光器技术。
近年来，该技术得到了广泛的研究和开发，取得了许多重要进展。
本文从多波长光纤激光器的基本原理、技术难点以及最新进展等方面进行了论述，旨在全面了解该技术的发展现状和未来发展趋势。
关键词：温稳定、多波长、光纤激光器、技术进展正文：一、多波长光纤激光器的基本原理多波长光纤激光器是一种可以同时发射多个波长的激光器。
其基本原理是在光纤激光器中采用多根光纤、多种反射镜和多种谐振腔等设计方法，在一定的温度范围内能够实现多波长激光发射。
二、温稳定多波长光纤激光器技术难点近年来，许多研究者致力于解决温稳定多波长光纤激光器技术中存在的问题。
其中，最主要的技术难点包括：1、光学环境对光纤激光器效果的影响2、光纤热失稳问题3、多波长模式互积或模式混叠问题三、温稳定多波长光纤激光器技术最新进展针对上述技术难点的解决，近年来多个研究团队共同推进了温稳定多波长光纤激光器技术的发展。
其中，不同解决方案的研究都取得了一定的进展。
例如：1、利用串联多段光纤组合激光输出的方法，缓解了热失稳问题。
同时，通过加入光纤光栅的方式实现多波长选择。
2、基于光纤光栅反射镜的全光纤环形谐振腔结构，实现了高效率、大功率和高稳定的多波长激光器。
3、通过采用光纤光栅的多波长谐振腔结构，成功实现了高功率、宽带、温稳定的多波长激光器。
四、温稳定多波长光纤激光器技术的未来发展趋势温稳定多波长光纤激光器技术未来的发展方向主要包括以下几个方面：1、解决多波长模式互积或者模式混叠问题，提高多波长激光器的光学性能；2、利用新型材料和新型结构，提高温稳定多波长光纤激光器的功率和效率；3、实现全光纤光谱调制和频域调制等技术的融合，开发具有更高应用价值的多波长光纤激光器；4、进一步研发新型光器件和材料，拓展光波长多样性，以及实现更精细的频率控制和调制功能。
综上所述，温稳定多波长光纤激光器技术的发展是一个不断创新的过程。
光纤激光器国内外研究现状及发展趋势
光纤激光器国内外研究现状及发展趋势谭㊀威摘㊀要:光纤激光器是近年来发展起来的一种新型激光器件ꎬ也是目前国内外光电信息领域研究的热点技术之一ꎮ因在光学模式㊁使用寿命等方面的优点ꎬ光纤激光器已成为新一代固体激光器的代表ꎬ在国内外得到了广泛研究和迅速发展ꎬ有着广阔的发展前景ꎮ关键词:光纤激光器ꎻ光学系统ꎻ激光器一㊁光纤激光器的基本情况(一)光纤激光器的概念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ꎬ属于固体激光器的一种ꎬ但因增益介质形状特殊且具有典型的技术和产业优势ꎬ行业中一般将其与其他固体激光器分开进行研究ꎮ典型的光纤激光器主要由光学系统㊁电源系统㊁控制系统和机械结构四个部分组成ꎬ其中ꎬ光学系统由泵浦源㊁增益光纤㊁光纤光栅㊁信号/泵浦合束器及激光传输光缆等光学器件材料通过熔接形成全光纤激光器ꎬ并在电源系统㊁控制系统的驱动和监控下实现激光输出ꎮ同时ꎬ光纤激光器根据功率大小的不同采用不同的冷却方式ꎬ通常情况下ꎬ功率低于２００Ｗ时采用风冷结构ꎬ功率大于２００Ｗ时采用循环水制冷ꎬ以保证激光器在工业环境条件下可靠稳定运行ꎮ(二)光纤激光器的分类光纤激光器种类较多ꎬ根据其激射机理㊁器件结构和输出激光特性的不同可有多种不同的分类方式ꎮ根据目前光纤激光器技术的发展情况ꎬ其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种:１.按激光的工作模式分类按激光的工作模式可主要分为脉冲光纤激光器和连续光纤激光器ꎮ２.按输出激光功率大小分类按输出激光功率大小可分为:①低功率光纤激光器:平均输出功率小于１００Ｗ的光纤激光器ꎻ②中功率光纤激光器:平均输出功率在１００Ｗ至１ꎬ０００Ｗ的光纤激光器ꎻ③高功率光纤激光器:平均输出功率大于或等于１ꎬ０００Ｗ的光纤激光器ꎮ二㊁光纤激光器行业市场概况(一)全球激光器行业发展现状１.全球激光器行业市场规模和用途欧美等发达国家最先开始使用激光器ꎬ并在较长时间内占据较大的市场份额ꎮ随着全球制造业向发展中国家转移ꎬ亚太地区激光行业市场份额迅速增长ꎮ发展中国家在制造业升级过程中ꎬ逐步使用激光设备代替传统设备ꎬ对激光器的需求旺盛ꎬ系目前全球激光行业市场最主要的驱动力之一ꎮ２０１３~２０１７年ꎬ全球激光器行业收入规模持续增长ꎬ从２０１３年的８９.７０亿美元增加至２０１７年的１２４.３０亿美元ꎬ年复合增长率为８.５０％ꎮ随着大功率激光器技术突破和增材制造技术的成熟ꎬ预计未来激光器行业将持续快速增长ꎮ激光器用途十分广泛ꎬ目前主要应用于通信㊁材料加工㊁研发与军事运用㊁医疗美容等领域ꎮ２０１７年ꎬ全球激光器行业应用领域中材料加工相关的激光器收入５１.６６亿美元ꎬ占全球激光器收入的４２％ꎬ超越通信领域成为第一大激光器应用领域ꎻ研发与军事运用相关激光器收入９.２２亿美元ꎬ占全球激光器收入的７％ꎻ医疗美容相关激光器收入９.２０亿美元ꎬ占全球激光器的７％ꎮ２.工业激光器市场规模和用途近年来ꎬ全球工业激光器市场规模保持较快增长ꎬ全球工业激光器收入从２０１３年的２４.８７亿美元增加至２０１７年的４３.１４亿美元ꎬ年复合增长率为１４.７６％ꎮ２０１５年以来ꎬ工业激光器市场规模增速逐步加快ꎬ最近三年的市场规模增长率分别为８.９３％㊁１９.３６％和２６.１０％ꎮ(二)光纤激光器的市场状况自光纤激光器问世以来ꎬ高功率光纤激光器成为激光领域最为活跃的研究方向之一ꎮ随着新型泵浦技术的采用和大功率半导体激光器制造技术和工艺的进一步发展成熟ꎬ光纤激光器得到了飞速发展ꎮ过去１０年ꎬ光纤激光器在输出功率㊁光束质量和亮度等方面取得了巨大进步ꎮ光纤激光器效率和可靠性更高ꎬ通过开发更多的新工艺和加工方法ꎬ将推动光纤激光器在高端工业制造领域的进一步突破ꎮ光纤激光器的用途可以为打标㊁微材料加工㊁宏观材料加工三大类ꎮ其中ꎬ微材料加工包括了除打标以外ꎬ所有输出功率小于１ꎬ０００Ｗ的激光器应用ꎻ宏观材料加工包括了所有输出功率大于等于１ꎬ０００Ｗ的激光器应用ꎬ主要为金属切割和焊接ꎮ(三)国内光纤激光器市场竞争格局目前ꎬ我国光纤激光器行业处于快速成长阶段ꎬ普通低功率光纤激光器技术门槛较低ꎬ国产低功率光纤激光器的市场占有率超过８５％ꎮ高功率光纤激光器技术门槛较高ꎬ企业竞争主要围绕创新能力㊁研发实力㊁核心材料和器件产业链整合能力展开ꎬ目前高功率光纤激光器市场仍以欧美知名光纤激光器企业为主导ꎬ产品价格和附加值相对较高ꎬ２０１７年ＩＰＧ公司高功率光纤激光器销售收入８.６７亿美元ꎬ较２０１６年增长２.８９亿美元ꎬ增幅为４９.９１％ꎬ是其收入增长的主要来源ꎮ(四)全球光纤激光器市场规模预测２０１８~２０２０年全球光纤激光器市场规模ꎬ与其他激光器相比ꎬ光纤激光器具有转换效率高㊁光束质量好㊁体积小巧等优势ꎮ近年来ꎬ随着光纤激光技术的发展和下游行业需求的增加ꎬ光纤激光器市场规模保持快速增长ꎮ传统制造㊁汽车生产㊁重工制造等行业正越来越多的使用光纤激光器ꎻ同时ꎬ医疗美容㊁通信和航空航天领域也开始使用光纤激光器ꎮ全球光纤激光器的销售额将由２０１８年的１９.８１亿美元增加到２０２０年的２８.８５亿美元ꎬ年复合增长率为１３.３５％ꎮ作者简介:谭威ꎬ深圳技师学院ꎮ８４。
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收稿日期:2008-10-13.动态综述光纤激光器研究进展申人升,张玉书,杜国同(大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连116023)摘 要: 光纤激光器具有寿命长,模式好,体积小,免冷却等一系列其他激光器无法比拟的优点,近年来受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。
文章概述了光纤激光器典型的工作原理,阐述了其当前主要研究方向以及国内外研究现状,最后提出了光纤激光器产业化的趋势。
关键词: 光纤;光纤激光器;光子晶体光纤;超短脉冲中图分类号:TN248 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)01-0001-05Latest Development of Fiber LasersSH EN Ren -sheng ,ZH ANG Yu -shu,DU Guo -tong(School of Physics and Optoelectronic Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,C HN)Abstract: Fiber lasers ow n lots of advantages co mpared w ith other lasers,including lo ng life,goo d mode,compactness,etc.Recently,fiber lasers have received increasing ly intensiveattention in the applications o f electro nic inform ation,industr y processing and national defense technolog y.T he ty pical principle o f fiber laser is explained and resear ch progr esses about fiber lasers are review ed.Furthermore,the future developm ental trends fo r laser fiber are discussed.Key words: fiber;fiber lasers;photonic crystal fiber;ultrashort pulse0 引言光纤激光器诞生于20世纪60年代初,它是伴随着光纤通信技术、光纤制造工艺以及与激光器生产技术的日趋成熟而迅猛发展起来的新型器件。
由于其在高速率、密集波分复用(DWDM )通信系统、高精度传感技术和大功率激光加工等方面呈现出潜在的技术优势和广阔的应用前景,所以备受世界各国科研工作者的青睐,现已成为国际学术界的热门研究对象。
光纤激光器与其他类型激光器相比较,其优点为:(1)泵浦功率低、增益高、输出光束质量好;(2)与其他光纤器件兼容,可实现全光纤传输系统;(3)使用光纤作为基体,其结构具有较高的比表面积,因而散热好;(4)体积小,携带方便;(5)光纤激光器可以作为光孤子源,实现光孤子通信。
1 原理与分类1.1 基本工作原理图1所示为典型光纤激光器的基本结构。
图1 光纤激光器基本结构典型光纤激光器主要由三部分组成: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激发增益介质的泵浦源。
其中,增益介质为掺杂稀土离子的纤芯。
当泵浦光从反射镜1(或光栅1)入射到掺杂光纤芯中时,会被所掺杂的稀土离子吸收。
吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁,实现/粒子数反#1#转0,反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态,并释放出能量,从反射镜2(或光栅2)输出。
1.2分类根据光纤激光器激射机制、器件结构以及输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。
以目前光纤激光器技术的发展情况来看,其分类主要有以下几种:(1)按光纤基体结构分类:单包层和双包层光纤激光器。
(2)按输出波长个数分类:单波长激光器和多波长激光器。
(3)按增益介质分类:稀土离子掺杂光纤激光器(如Nd3+、Er3+、Yb3+、T m3+、H o3+等)、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器和光纤孤子激光器。
(4)按谐振腔结构分类:F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及/80字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。
2主要研究方向及现状目前,对于光纤激光器的研究方向主要集中在高功率光纤激光器、窄线宽光纤激光器、多波长光纤激光器、超短脉冲光纤激光器、拉曼光纤激光器和光子晶体光纤激光器等几个方面。
2.1高功率光纤激光器高功率光纤激光器[1]与同等功率水平的其他类型激光器相比较,其具有效率高、体积小、冷却温度低和光束质量好等优点,因此高功率光纤激光器一直是光纤激光器领域中最热门的研究方向。
如何提升单根光纤激光的输出功率,是高功率光纤激光器发展的主要研究内容之一。
1999年美国的V.Dominic等人[2]用4个45W的半导体激光器从光纤两端泵浦,获得了110W的单模连续激光输出。
但由于光纤和泵浦源技术的限制,在此后近3年的时间里,单光纤激光输出功率没有获得突破性进展。
2003年,随着大模场光纤技术和高功率泵浦源技术的发展,光纤激光器的输出功率快速提高,德国的IPH T、英国的SPI和美国的IPG公司分别报道了200W、270W和300W的光纤激光器。
在2004年初的Pho to nics West会议上,英国的SPI公司报道了1kW的光纤激光器。
随后,英国南安普顿大学报道了1.36kW连续波光纤激光器[3],并预言通过对掺杂光纤更先进的设计和采用更高功率的泵浦源,单根光纤的输出功率有可能提高到近万瓦。
2004年美国的IPG公司研制出了10万瓦的光纤激光器和1.7万瓦的工业光纤激光器生产线。
由于单根光纤输出的激光功率毕竟有限,于是人们想到利用激光光束组合技术实现输出功率的提高。
近年来,其研究方法主要有两种:相干光束组合和非相干光束组合。
由于光纤激光器的相干组束技术可以将多路激光束相干叠加,在提升输出总功率的同时,保持了光纤激光器良好的光束质量,因此该技术成为了高功率光纤激光器研究中很有前途的发展方向。
目前,研究人员已经提出了多种相干组束技术,主要有:主振荡放大技术[4]、多芯光纤自组装技术[5]、全光纤组束技术[6]、光谱组束技术[7]和外腔相干组束技术[8-9]等。
光纤激光器的相干组束技术研究才刚刚起步,尚处于实验研究阶段[10]。
2.2窄线宽光纤激光器对于激光器来说,如果只允许一个纵模振荡,则形成单频激光器,其输出光具有极高的时间相干性。
该类型激光器具有很高的实用价值[11],所以窄线宽光纤激光器就成为光纤激光器研究领域的另一个热点,它以线宽窄、低噪声等优点广泛应用于光纤传感、光纤遥感、高精度光谱及光纤通信领域[12]。
窄线宽光纤激光器的早期研究工作主要集中在固定波长的窄线宽光纤激光器上,振荡波长由固定波长响应的滤波器控制,如布拉格光栅,其反射中心波长由光栅周期决定,反射带宽由光栅长度决定。
除了通过对光纤光栅施加应力或温差来改变振荡波长外,还可以通过旋转光栅、调节腔内标准具角度、利用声光滤波器、电调液晶标准具等方式来实现。
窄线宽光纤激光器常见的腔体结构有线形腔结构和环形腔结构。
其中,线形腔结构简单、工作稳定,但是由于驻波场存在空间烧孔效应,不利于实现单频运转,常常把腔体变短,从而导致抽运转化效率低。
而采用环形腔结构的窄线宽光纤激光器则可以消除空间烧孔效应,并实现单频运转,其腔体较长,增益高。
2007年光库通讯向市场推出一款超窄线宽光纤激光器,其采用美国核心专利技术和高浓度铒/镱离子共掺有源光纤,有效解决了输出功率与光束质量之间的矛盾。
其腔体长度小于5cm,线宽小于3 kH z,高达150mW的输出功率,波长调谐范围为20 GH z,相干长度可达75km。
# 2 #2.3多波长光纤激光器多波长光纤激光器在DWDM光纤通信系统、分布式多波长光纤传感系统、光学测试、光谱学等方面具有广泛的应用前景[13]。
多波长光纤激光器主要是利用光纤光栅反馈和滤波机理实现多波长选择的。
为了实现波长间隔可调,人们将保偏光纤引入R型光环路中,用保偏光纤替代滤波器。
对于多波长光纤激光器来说,掺铒光纤增益在室温条件下的均匀展宽线宽较大,各纵模间存在模式竞争,难以实现多波长的同时激射。
只有将其放置于液氮(温度77K)条件下,掺铒光纤才能实现多波长同时激射。
所以,实现常温条件下输出波长可调,波长间隔可调和通道可调一直是多波长光纤激光技术领域的研究重点。
2002年,R.Slavik等人[14]报道了一种在腔内放置声光频移器的多波长掺铒光纤环形激光器,其在室温条件下实现了C波段的1538~1548nm之间13条谱线或者1543~1560nm之间18条谱线输出。
2003年,K.Cheng等人[15]报道了一种室温条件下超低损耗的全光纤多频激光器,实现了18通道输出。
2006年,Y.G.Liu等人在常规掺Er3+环形激光器上实现了室温下多波长激光的输出[16]。
2007年,Yan M等人利用级联的长周期光栅做谐振腔滤波器得到1556.0nm,1558.6nm和1561.2 nm三个波长的激光输出[17]。
目前,已经报道的多波长EDFL都具有较窄的增益频谱,因此限制了更多波长的激光振荡。
DWDM技术的成熟对多波长激光器的性能也提出了更高的要求。
另外,由于增益介质和激光腔的设计仍是制作高性能、低成本多波长光纤激光器的关键,所以如何改善目前多波长EDFL中EDF过长而产生的对环境敏感等因素和如何使得输出波长更加稳定且易于调节,是以后多波长EDFL研究发展的趋势[18]。
2.4超短脉冲光纤激光器超短脉冲光纤激光器是根据锁模原理实现激光输出的,即当光纤中各纵模频率间隔相同且相邻纵模间相位差为常数时即可获得锁模激光脉冲输出。
根据锁模方式不同,可分为主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光器。
由于主动锁模调制能力有限,限制了锁模脉冲的宽度,所以主动锁模光纤激光器的脉冲宽度通常为皮秒量级。
而被动锁模光纤激光器则是利用光纤或其他元件中的非线性光学效应实现锁模的,其结构简单,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。
2006年,A.Po lynkin等人[19]报道了一种新的被动锁模超短腔高平均功率皮秒级短脉冲光纤激光器,获得稳定的重复率达550M H z的脉冲激光输出(平均输出功率500~775mW)。
2007年, Sumimura等人[20]利用啁啾光栅做谐振腔得到了稳定的、单模输出的飞秒锁模光纤激光器。
超短脉冲的飞秒技术应用已步入快速发展阶段,并在很多领域得以应用。