光纤激光器的前世今生
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。
光纤激光器___赵军
主讲人：赵军
光纤激光器
目录
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z光纤激光器的发展历史z
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z光纤激光器的优势
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光纤激光器
成谐振腔）便可形成激光振荡输出。
光纤激光器发展历史
早期：主要集中研究短脉冲的输出和可调谐
目前：国内外主要集中在高功率光纤激光器、
光纤激光器的原理
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基本原理
光纤激光器的类型
光纤激光器种类很多，如按光纤结构可分为：单包层光纤前在比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有：铒（Er
这类激光器与掺杂光纤激光器相比具有更高的饱和功
DFB光纤光栅激光器基本结构如下图所示，在稀土掺杂
光纤激光器的优势
光纤激光器作为第三代激光技术的代
（3）玻璃材料具有极低的体积面积
（6）免调节、免维护、高稳定性；
达20%以上；
光纤激光器的应用
好，泵浦源寿命长，使用方便，环境适应能力强，
件，医疗器件，手机/计算机键盘，仪器面板/按
精密电子元器件
光束定向器
照明、捕获、识
别、瞄准、跟踪
激光发射点火跟瞄锁定状态
大气参数数据
破坏机理数据自动化指挥
微波雷达反空袭、反导
大功率光纤激光器
我国光纤激光器目前的研究进展器的研究工作
掺镱光纤产品。
据悉，通过上海光机所试用，其斜率效率
展望
光纤激光器的优良性能，决定了它比半导体激光器。
第08章 光纤激光器
第8章 光纤激光器
（5） 用作增益的稀土掺杂光纤制作工艺比较成熟，
稀土离子掺杂过程简单，光纤损耗小。
（6） 光纤光栅激光器具有波导式光纤结构，可以在 光纤芯层产生较高的功率密度，光纤结构具有较高的面 积 - 体积比，因而散热效果较好。 （7） 光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件是 完全相容的，故可以制作出完全由光纤器件组成的全光 纤传输系统。
进行了开创性的工作，他们在1963年和1964年分别发表了 多组分玻璃光纤中的光放大结果，提出了光纤激光器和光
纤放大器的构思。在1966年，高锟和Hockham首先讨论了
利用光纤作为通信介质的可能性，讨论了光纤通信的新观 点。在光纤激光器发展的最初阶段就考虑了用半导体光源 进行泵浦的可能性。1970年后，光纤通信经历了研究开发 阶段（1966～1976年）。
生的光子与诱发过程的光子性质完全相同。当光子在谐振腔
内所获得的增益大于其在腔内所获得的损耗时，就会产生激
光输出。理论上四能级光纤激光器的阈值低于三能级系统。
第8章 光纤激光器
图8-2-1 三能级和四能级跃迁系统能级图 (a) 三能级； (b) 四能级
第8章 光纤激光器
纵向泵浦的光纤激光器的结构如图8-2-2所示。一段掺 杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜 之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤。左面腔镜对于泵浦 光全部透射，对于激射光全反射，以便有效利用泵浦光和防
第8章 光纤激光器
非辐射跃迁将产生声子，即周围介质的量子化振动。从 上能级到下能级的辐射跃迁包括两种形式： 自发辐射和受 激辐射。在这两种形式下都有光子被发射。自发辐射过程和 无线电衰变的过程相似，即在上能级的电子数随时间成指数 减少。当原子中的电子处于激发态时总会有自发辐射产生，
光纤激光器的发展及现状
4.光纤激光器特点及应用
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。光 纤激光器通过掺杂不同的稀土离子可实现 380nm－3900nm波段范围的激光输出， 通过光纤光栅谐振腔的调节可实现波长选 择且可调谐。
3.光纤激光器结构
光纤激光器主要由泵源，耦合器，掺 稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵源 由一个或多个大功率激光二极管构成，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
美国IPG公司已于2004年8月在德国建 成10KW掺Yb双包层光纤激光器，该激光器 输出光束质量为11.5mm.mrad，输出功率 1KW～10KW连续可调，最大功率密度 30MW/cm2,输出尾纤直径200μm，这是 迄今为止已报道的最高光纤激光器功率输出。 而英国，俄罗斯，日本，德国等国也在光纤 激光器领域取得许多重要成果。其中英国南 安普顿大学研制的1KW单模光纤激光器保持 着单模光纤激光器最高输出的纪录
光纤激光器的发展 及现状
主要部分
(1).光纤激光器的历史 (2).光纤激光器的分类 (3).光纤激光器结构 (4).光纤激光器特点及应用 (5).前景与展望
1.光纤激光器的历史 激光器问世不久,美国光学公司(American Optical Corporation)于1963年首先提出 了光纤激光器和放大器的构思。1966年 高 锟和Hockham对光纤及其在光纤通信中的应 用提出了划时代的新观点。1970年，光纤的 传输特性达到了实际应用的水平，同年也实 现了半导体激光器室温下连续工作。这两大 科技成果为光纤通信奠定了坚实的技术基础。
光纤激光器发展概况
而三能级系统中，下能级E1是基态，或是极靠 近基态的能级。通常情况下，粒子几乎全部处 于基态。必须将一半以上的粒子激发到高能级 时才能实现粒子数反转，这就需要较高的泵浦 功率。所以，三能级系统的阈值泵浦功率远高 于四能级系统。
除能级数目外，另外一个对阀值有影响的重要因 素是光纤介质的长度。在一个端面泵浦光纤激光 器中，所能得到的泵浦光子数和粒子反转数将在 泵浦端达到最大值。如果光纤太短，则对泵浦光 的吸收不充分。
光纤激光器的应用
光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格， 在光纤通信、光纤传感、工业加工、医疗、 军事等领域取得了日益广泛的应用。
光纤激光器的基本理论
光纤激光器按工作原理可分为四类:稀土类掺 杂光纤激光器;光纤非线性效应激光器；单晶 光纤激光器;塑料光纤激光器。
形成光纤激光的三个必须条件是:增益介质、 谐振腔和粒子数反转。
但这并不意味着光纤越长越好，因为光纤太长， 在输出端介质对激光光子吸收将使输出功率下降。
光纤激光器谐振腔结构
谐振腔是光纤激光器的重要组成部分，对辐 射光进行反馈和选频，形成谐振，输出激光。 谐振腔有多种结构，其中常见的是FabryPerot腔和环形腔。
如下图所示，Fabry-Perot谐振腔是由平行放置 的介质镜组成的，其中一个是全反，另一个是部 分反射，两个介质镜可放置在光纤的两端，也可 直接镀在光纤的端面上。Fabry-Perot谐振腔如 下图
泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入光
纤，激励光纤中的掺杂离子跃迁到高能态，离子 无辐射跃迁到亚稳态形成粒子数反转，再受激辐 射跃迁回基态产生光子，光子在谐振腔中振荡放 大后形成激光输出。
光纤激光器发展与现状
但要获得几百瓦甚至几千瓦的光纤激光， 就需要更高输出功率的泵浦源(一般为半导 体激光器阵列)，将半导体激光器阵列输出 的几千瓦的激光耦合入一根双包层增益光 纤是一件很困难的事，耦合效率也很低。 因此，寻找泵浦光进入增益光纤的耦合新 技术是一项重要的工作。
1.3 谐振腔
制备合适的光学谐振腔是高功率光纤 激光器实用化的又一项关键技术。目前,高 功率光纤激光器的谐振腔主要有两种，一 种是采用二色镜构成谐振腔，这种方法一 般需要在防震光学平台上实现，因而降低 了光纤激光器的稳定性和可靠性，不利于 该产品的产业化与实用化；另一种是采用 光纤光栅做谐振腔.
(5)按输出波长分类 S一波段(1460～ 1530 nm)、C一波段(1530～1565 nm)、 L一波段(1565~1610 nm)。可调谐单波 长激光器，可调谐多波长激光器。
3.光纤激光器结构
光纤激光器主要由泵源，耦合器，掺 稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵源 由一个或多个大功率激光二极管构成，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
二色镜构成谐振腔：
目前多采用法布里一珀罗(F—P)腔结构， 即一端采用对泵浦光高透、对激光高反的 双色镜做激光全反镜；另一端直接利用光 纤端面的菲涅耳反射作输出镜。由于需要 采用分立元件，这种谐振腔结构的稳定性 和可靠性无法得到保证，不利于光纤激光 器的推广使用。
光纤光栅:透过紫外诱导在光纤纤芯形成折 射率周期性变化的低损耗器件,具有非常好 的波长选择特性。
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：
有关半导体激光器和光纤激光器
半导体激光器和光纤激光器1916年，爱因斯坦提出受激辐射的概念，1940年有人在研究气体放电试验中，观察到粒子束反转，而谐振腔的引入归功于肖洛，他从法—珀干涉仪那里得到启示，1958年他提出有关激光的设想，1959年9月召开的第一次国际量子电子会议上，肖洛提出了用红宝石作为激光的工作物质并描述了激光器的结构，但他没有获得足够的光能量使粒子束反转，科学叫梅曼丽用氙灯作光抽运解决了这个问题。
1960年6月，梅曼成功操作了一台激光器，7月他用红宝石制成的激光器被公布，世界上第一台激光器就产生了。
半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。
在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。
1962年师哈尔（Hall）]制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功，20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。
半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，降低了阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。
1970年，实现了激光波长为9000Å室温连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼铝砷)激光器，双异质结激光器(DHL)的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs二极管激光器. 1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器(QWL)，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能，量子阱半导体激光器与双异质结(DH)激光器相比，具有阑值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。
半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广。
激光器简史及光纤激光器简介
03
光纤激光器发展历程
第一代光纤激光器
01
02
03
起源与早期发展
20世纪60年代，光纤通信 技术的兴起为光纤激光器 的发展奠定了基础。
结构与原理
第一代光纤激光器采用掺 铒光纤作为增益介质，通 过泵浦光激发产生激光。
优缺点分析
具有高转换效率、低阈值 等优点，但输出功率和光 束质量相对较低。
第二代光纤激光器
光纤中受激辐射过程
受激辐射概念
受激辐射是光与物质相互作用的一种基本过程，指处于高能级的粒子在受到外来光子的作用下，跃迁到低能级并 辐射出与外来光子完全相同的光子的过程。
光纤中的受激辐射
在光纤中，当泵浦光注入到光纤时，光纤中的稀土离子（如铒、镱等）会吸收泵浦光的能量并跃迁到高能级。当 这些离子回到低能级时，会以受激辐射的方式释放出与泵浦光相同波长的光子。这些光子在光纤中不断反射并向 前传输，最终形成连续的激光输出。
长寿命
光纤激光器采用无机械接触的全光纤 结构，避免了传统固体激光器中常见 的机械磨损和热效应问题。因此，光 纤激光器的寿命通常非常长，可达数 万小时以上。
低维护成本
光纤激光器的结构简单、紧凑，无需 复杂的光学调整和维护。此外，由于 光纤激光器的效率高、散热性能好， 因此也降低了对冷却系统的要求，进 一步降低了维护成本。
通信技术领域应用
光纤通信
光纤激光器是光纤通信系统的核心器件之一，可用于产生光信号和 光放大等，具有传输容量大、传输距离远、抗干扰能力强等优点。
空间光通信
光纤激光器可用于空间光通信系统，具有光束质量好、传输距离远 、保密性强等优点。
激光雷达
光纤激光器可用于激光雷达系统，具有测距精度高、抗干扰能力强、 体积小等优点。
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光纤激光器的前世今生
∙光纤激光器定义
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。
光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设,作为其他激光器的泵浦源等等。
光纤激光器发展史
早期对激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。
今天，密集波分复用(DWDM)和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长光纤激光器技术、超连续光纤激光器等的进步。
同时，多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现Tb/s的DWDM或OTDM传输提供理想的解决方案。
就其实现的技术途径来看，采用EDFA放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。
目前国内外对于光纤激光器的研究方向和热点主要集中在高功率光纤激光器、高功率光子晶体光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器、多波长光纤激光器、非线性效应光纤激光器和超短脉冲光纤激光器等几个方面。
1962年世界上第一个GaAs半导体激光器问世以来，已有四十余年的历史，现在半导体激光器已广泛地应用于激光通信、光盘存储、激光检测等领域。
随着半导体激光器连续输出功率的日益提高，其应用范围也不断扩大，其中大功率半导体激光器泵浦的固体激光器（DPSSL）是它最大的应用领域之一。
这一技术综合了半导体激光器与固体激光器的优点，不仅将半导体激光器的波长转换为固体激光器的波长，而且伴随光束质量的改善和光谱线宽的压缩，以及实现脉冲输出等。
/半导体激光器体积小、重量轻，直接电子注入具有很高的量子效率，可以通过调整组份和控制温度得到不同的波长与固体激光材料的吸收波长相匹配，但它本身的光束质量较差，且两个方向不对称，横模特性也不尽理想。
而固体激光器的输出光束质量较高，有很高的时间和空间相干性，光谱线宽与光束发散角比半导体激光小几个量级。
对于DPSSL，是吸收波长短的高能量光子，转化为波长较长的低能量光子，这样总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热。
这部分热能量将如何从块状激光介质中散发、排除成为半导体泵浦固体激光器的关键技术。
为此，人们开始探索增大散热面积的方法。
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∙方法之一就是将激光介质做成细长的光纤形状。
所谓光纤激光器就是用光纤作激光介质的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是光纤激光器。
由于光纤的纤芯很细，一般的泵浦源（例如气体放电灯）很难聚焦到芯部。
所以在以后的二十余年中光纤激光器没有得到很好的发展。
随着半导体激光器泵浦技术的发展，以及光纤通信蓬勃发展的需要，1987年英国南安普顿大学及美国贝尔实验室实验证明了掺铒光纤放大器（EDFA）的可行性。
它采用半导体激光光泵掺铒单模光纤对光信号实现放大，现在这种EDFA已经成为光纤通信中不可缺少的重要器件。
由于要将半导体激光泵浦入单模光纤的纤芯（一般直径小于10um），要求半导体激光也必须为单模的，这使得单模EDFA难以实现高功率，报道的最高功率也就几百毫瓦。
为了提高功率，1988年左右有人提出光泵由包层进入。
初期的设计是圆形的内包层，但由于圆形内包层完美的对称性，使得泵浦吸收效率不高，直到九十年代初矩形内包层的出现，使激光转换效率提高到50%，输出功率达到5瓦。
1999年用四个45瓦的半导体激光器从两端泵浦，获得了110瓦的单模连续激光输出。
近两年，随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率逐步提高，目前采用单根光纤，已经实现了1000瓦的激光输出。
近期，随着光纤通信系统的广泛应用和发展，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。
其中，以光纤作基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步，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。
目前光纤激光器技术是研究的热点技术之一。
光纤激光器由于其具有绝对理想的光束质量、超高的转换效率、完全免维护、高稳定性以及体积小等优点，对传统的激光行业产生巨大而积极的影响。
最新市场调查显示：光纤激光器供应商将争夺固体激光器及其他激光器在若干关键应用领域的市场份额，而这些市场份额在未来几年将稳步看涨。
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愈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。
光纤激光器发展趋势
研制大功率、光束质量好、高效、紧凑的高能激光器系统，是世界各国长期探索研究的目标。
而光纤激光器作为近年来高功率激光光源研究领域中的热点，与气体或常规固体激光器相比，具有结构简单、散热效果好、转换效率高、阈值低、使用寿命长、系统维护简单等优点。
特别是近年来，随着双包层光纤的出现，使多模抽运成为可能，从而为提高光纤激光器的输出功率提供了解决途径，实现了掺稀土元素光纤激光器的大功率输出。
然而由于单个光纤激光器在高功率条件下会产生非线性效应，以及光纤本身能承受的阈值功率的限制，单个光纤激光器不可能得到超高功率。
因此光纤激光器的相干合成成为研究的重要方向。
实现光纤激光器的相干合成主要有主震荡功率放大和自组织型光纤激光器阵列两种方式。
相对于主震荡功率放大的方式，自组织型光纤激光器阵列具有结构紧凑、相位控制简单及合成效率高等特点，因此成为近期理论界研究的热点。
目前对自组织型光纤激光器阵列的理论研究主要集中在两个方面。
一方面是对光纤激光器阵列光谱响应参数的研究。
因为光谱响应参数是自组织型光纤相干合成技术的关键参数之一，它决定着阵列输出信号的频段。
另一方面是对光纤激光器阵列动态特性的研究。
光纤激光器阵列作为一个复杂的系统，对其动态特性的研究有利于搞清整个系统的运作机制，有利于改善整个系统，从而提高输出信号的光束质量。