激光器简史及光纤激光器简介)
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认识光纤激光器
目前调Q技术能够实现峰值功率在兆 瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s) 旳激光脉冲。
Wp
Q
max min
ni nt n f max min
(a)
t (b)
t (c)
t (d ) t p t
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 调Q光纤激光器
R=100% A O M
Pump Systerm
Output Yb-DC fiber Coupler
透镜组端面泵浦耦合
优点：构造简朴、易于实现 缺陷：耦合占用了端面，无法 同其他光纤级联，降低了灵活 性；透镜组与光纤是分立旳， 稳定性低不易集成
优点：构造简朴紧凑、实现了 激光器旳全光纤化 缺陷：尾纤与光纤尺寸不同， 熔接对准困难，附加损耗大
端面直接熔接耦合
两种措施都只有两个端面用于 泵浦，限制了最大功率。
其他腔型构造
光纤圈反射器（光纤环形镜）包 括一种定向耦合器和由该耦合器 两输出端口连接在一起形成旳一 种光纤圈。 工作原理：耦合器耦合系数为0.5， 光波从端口1进入耦合器，耦合器 将二分之一旳功率耦合到端口3， 另二分之一耦合到端口4，即在光 纤圈顺时针方向和逆时针方向传 播旳输入光各二分之一。跨过耦 合器旳光波比直通旳光波相位滞 后π/2。在端口2处旳透射功率是任 意相位φ旳顺时针场和相位为φ-π 旳逆时针场旳叠加，恰好相互抵 消，透射输出为零，全部输入光 沿端口1返回。
光
纤
芯 光
泵
纤
浦 光
保 护
芯
保
激
激 光 内输包层 出
护 层
泵 浦
外
光包
层
光 输 出
层
单包层与双包层掺杂光纤旳构造
光纤芯：由掺稀土元素旳SiO2构成，它作为激光振荡旳通道，对 有关波长为单模；
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 调Q光纤激光器
R=100% A O M
Pump Systerm
Output Yb-DC fiber Coupler
透镜组端面泵浦耦合
优点：构造简朴、易于实现 缺陷：耦合占用了端面，无法 同其他光纤级联，降低了灵活 性；透镜组与光纤是分立旳， 稳定性低不易集成
优点：构造简朴紧凑、实现了 激光器旳全光纤化 缺陷：尾纤与光纤尺寸不同， 熔接对准困难，附加损耗大
端面直接熔接耦合
两种措施都只有两个端面用于 泵浦，限制了最大功率。
其他腔型构造
光纤圈反射器（光纤环形镜）包 括一种定向耦合器和由该耦合器 两输出端口连接在一起形成旳一 种光纤圈。 工作原理：耦合器耦合系数为0.5， 光波从端口1进入耦合器，耦合器 将二分之一旳功率耦合到端口3， 另二分之一耦合到端口4，即在光 纤圈顺时针方向和逆时针方向传 播旳输入光各二分之一。跨过耦 合器旳光波比直通旳光波相位滞 后π/2。在端口2处旳透射功率是任 意相位φ旳顺时针场和相位为φ-π 旳逆时针场旳叠加，恰好相互抵 消，透射输出为零，全部输入光 沿端口1返回。
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单包层与双包层掺杂光纤旳构造
光纤芯：由掺稀土元素旳SiO2构成，它作为激光振荡旳通道，对 有关波长为单模；
各种激光器的介绍
各种激光器的介绍激光（Laser）是光学与物理学领域中的重要研究方向之一，也是现代科学中应用最广泛的光源之一、激光器是产生、放大和产生激光的装置，它能够使光以高度有序的方式输出，并具有高度相干和高度定向的特性。
激光器可以根据不同的工作原理和激光频率，分为多种类型，下面将为大家介绍几种常见的激光器。
1. 固体激光器（Solid State laser）：固体激光器是利用固体材料作为介质的激光器。
固体激光器的工作物质通常为具有特殊能级结构的晶体或玻璃材料。
最早的固体激光器是由人工合成的红宝石晶体制成的。
它具有高度的可靠性、较高的功率输出和较宽的谱段覆盖等特点，广泛应用于医疗、测量、通信、材料加工等领域。
2. 气体激光器（Gas laser）：气体激光器是利用气体作为活性介质的激光器。
常见的气体激光器有二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
其中，二氧化碳激光器是最早被发现和研究的激光器之一，具有连续激光输出、较高的功率密度和中远红外波段特点，广泛应用于材料加工、切割、医疗等领域。
3. 半导体激光器（Semiconductor laser）：半导体激光器是利用半导体材料作为活性介质的激光器。
它是目前应用最广泛的激光器之一，常见的有激光二极管（LD）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
半导体激光器具有小巧轻便、功耗低、寿命长等特点，广泛应用于激光显示、光通信、生物医学等领域。
4. 光纤激光器（Fiber laser）：光纤激光器是利用光纤作为反射镜和放大介质的激光器。
它采用光纤的内部介质作为激光器的活性介质，激光通过光纤进行传输和放大。
光纤激光器具有高度稳定性、方便携带、适用于长距离传输等特点，广泛应用于材料加工、制造业、激光雷达等领域。
5. 半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）：半导体泵浦固体激光器是利用半导体激光器（如激光二极管）泵浦固体材料产生激光的激光器。
它继承了固体激光器的高功率、高效率和稳定性等特点，同时又具有半导体激光器小尺寸、低功耗等优势。
《光纤激光器》课件
光纤激光器市场规模持续增长 应用领域不断扩展，如医疗、通信、军事等 技术不断进步，如高功率、高亮度、高稳定性等 市场竞争加剧，国内外企业竞争激烈
工业制造：广泛应用于切割、焊接、打标等领域 医疗领域：用于手术、诊断、治疗等 科研领域：用于科学研究、实验等 通信领域：用于光纤通信、光传输等 军事领域：用于激光武器、激光制导等 环保领域：用于污染治理、资源回收等
频率调制是指通过改变激光 器的频率来改变其输出功率
光纤激光器的调制特性包括频 率调制、相位调制和强度调制
相位调制是指通过改变激光 器的相位来改变其输出功率
强度调制是指通过改变激光 器的强度来改变其输出功率
光纤激光器具有较高的抗电磁 干扰能力
光纤激光器对环境温度和湿度 的变化不敏感
光纤激光器可以工作在恶劣的 环境中，如高温、高压、高湿 度等
特点：高效、稳定、长寿命
作用：产生激光
组成：由两个反射 镜和一个增益介质 组成
工作原理：通过反 射镜的反射和增益 介质的放大，形成 稳定的激光输出
特点：具有高稳定 性和高效率
光纤：传输激光信号 激光器：产生激光信号
光束整形器：调整激光束的形状和方向
光束传输系统：将激光信号传输到目标 位置
控制系统：控制激光器的输出功率和频 率
激光制导武器：利 用光纤激光器进行 精确制导，提高打 击精度
激光通信：利用光 纤激光器进行远距 离、高速率的通信 传输
激光雷达：利用光 纤激光器进行目标 探测和跟踪，提高 探测精度和距离
激光武器：利用光 纤激光器进行高能 激光武器研发，提 高武器威力和射程
激光手术：用于眼 科、皮肤科、耳鼻 喉科等手术
PART THREE
材料：稀土离子掺杂光纤
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，
光纤激光器的简介
光纤激光器目录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、大型基础建设等等。
编辑本段光纤激光器的类型按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为：1晶体光纤激光器。
工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等。
2非线性光学型光纤激光器。
主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。
3稀土类掺杂光纤激光器。
光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。
4塑料光纤激光器。
向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。
编辑本段光纤激光器的优势光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势：（1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势；（2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；（3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以上转换效率较高，激光阈值低；（4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多；（5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。
（6）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。
（7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。
（8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。
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。
光纤激光器简介PPT课件
光纤激光器：指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益 介质的激光器，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。
光纤激光器的发展
激光器问世不 久，美国光学公司 （ American optical
输出激光
激光产生的条件：形成粒子数反转，提供光反馈，满足激光振荡的 阈值条件。
激光器一般由三部分组成：激光工作物质（掺杂光纤）、泵浦源 （半导体激光二极管）、光学谐振腔（线形腔、环形腔等）。
掺杂离子的能级结构
1. 三能级系统的能级结构
4I11/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
简单的光纤环形谐振腔结构
ISO PC
Doped fiber
WDM
pump output
环形腔光纤激光器结构图
波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接 着掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺杂光纤为非保偏的普通光纤，还需要使用偏振控制器（PC：Polarization Controller）。
pump laser PC
EDF 980/1550 nm
WDM
ISO
coupler
波长选 择器件
filter
output
环形腔掺铒光纤激光器结构图
3.其它腔型结构
光纤圈反射器（光纤环形镜），结 构如下图所示，包含一个定向耦合器和 该耦合器两输出端口连接在一起形成的 一个光纤圈。
工作原理：假设耦合器耦合系数为0.5， 若光波从端口1进入耦合器，耦合器将一 半光功率耦合到端口3，将另一半耦合到 端口4，即有一半输入光沿光纤圈顺时针 方向传播，另一半沿逆时针传播。当它 们再次在输入端相遇时经历了相同的相 移，干涉相长的结果使其完全反射回腔 内。实际中有部分光从2端口输出。
光纤激光器的发展
激光器问世不 久，美国光学公司 （ American optical
输出激光
激光产生的条件：形成粒子数反转，提供光反馈，满足激光振荡的 阈值条件。
激光器一般由三部分组成：激光工作物质（掺杂光纤）、泵浦源 （半导体激光二极管）、光学谐振腔（线形腔、环形腔等）。
掺杂离子的能级结构
1. 三能级系统的能级结构
4I11/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
简单的光纤环形谐振腔结构
ISO PC
Doped fiber
WDM
pump output
环形腔光纤激光器结构图
波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接 着掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺杂光纤为非保偏的普通光纤，还需要使用偏振控制器（PC：Polarization Controller）。
pump laser PC
EDF 980/1550 nm
WDM
ISO
coupler
波长选 择器件
filter
output
环形腔掺铒光纤激光器结构图
3.其它腔型结构
光纤圈反射器（光纤环形镜），结 构如下图所示，包含一个定向耦合器和 该耦合器两输出端口连接在一起形成的 一个光纤圈。
工作原理：假设耦合器耦合系数为0.5， 若光波从端口1进入耦合器，耦合器将一 半光功率耦合到端口3，将另一半耦合到 端口4，即有一半输入光沿光纤圈顺时针 方向传播，另一半沿逆时针传播。当它 们再次在输入端相遇时经历了相同的相 移，干涉相长的结果使其完全反射回腔 内。实际中有部分光从2端口输出。
认识光纤激光器
04
光纤激光器优缺点及挑战
优点分析
高效率
01
光纤激光器具有高效率的能量转换，能够将大 部分输入电能转换为激光输出，降低了能源浪
费。
结构紧凑
03
光纤激光器采用光纤作为增益介质，使得整个 激光器的结构非常紧凑，方便集成和应用于各
种场合。
光束质量好
02
输出激光光束质量高，具有较小的发散角和较 高的亮度，使得光纤激光器在精密加工和远距
1 2
3
泵浦源类型
主要包括半导体激光器和光纤耦合激光器等，不同类型的泵 浦源具有不同的输出特性和适用范围。
泵浦方式
分为端面泵浦和侧面泵浦两种方式，端面泵浦效率高、光束 质量好，但热效应显著；侧面泵浦散热效果好、功率可扩展 ，但光束质量相对较差。
泵浦波长
泵浦源的波长需要与增益光纤的吸收峰相匹配，以实现高效 的能量转换。
$number {01} 汇报人：XX
认识光纤激光器
目录
• 光纤激光器基本概念与原理 • 光纤激光器关键技术与参数 • 光纤激光器应用领域与市场现状 • 光纤激光器优缺点及挑战 • 光纤激光器未来发展趋势与前景
01
光纤激光器基本概念与原理
光纤激光器定义及发展历程
光纤激光器定义
光纤激光器是一种利用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质， 通过泵浦光的作用实现粒子数反转，进而产生激光输出的光 学器件。
表面处理
光纤激光器可用于金属、 非金属材料的表面处理， 如打标、雕刻、清洗等。
通讯传输领域应用
光纤通信
光纤激光器是光纤通信系统中的 关键器件，用于产生和放大光信 号，实现长距离、大容量的信息 传输。
激光雷达
光纤激光器可用于激光雷达的发 射光源，实现高精度、远距离的 测量和探测。
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中国第一台激光器（1961）
国内激光技术发展简史
激光器的第一台 He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器
研制成功时 间 1963年7月
1963年6月
研制人
邓锡铭 等 干福熹
GaAs同质结半导体激光 器
CO2分子激光器
1963年12月 1965年9月
王守武
王润文 等
激光技术发展简史之二
• 各种激光器的开发 • 工作物质：固体，气体，染料，化学，
Charles Hard Townes
"for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle".
激光器简史及光纤激光器简介
概要
• 激光器历史概述
– 激光器简史 – 光纤激光器简史
• 光纤激光器简介
– 市场和应用 – 光纤激光器技术简介
• 激光安全
什么是激光?
• 镭射？
• LASER 由受激辐射的光放大而产生的光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。
Albert Einstein
激光发展简史 – 激光与诺贝尔奖
➢ 1913年，波尔借鉴了普朗克的量子理论提出了全新的原 子结构模型，因此获得1922年诺贝尔物理学奖：
"for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them".
吸收，预示了有可能利Байду номын сангаас受激发射实现光放大（Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation—LASER ）
E2
E2
hv=E2-E1
hv=E2-E1
hv
hv
激光发展简史 – 激光与诺贝尔奖
➢ 1947年，兰姆（Lamb）在氢原子光谱中发现了明显的 受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证，因此兰姆获 得了1955年诺贝尔物理学奖：
激光发展简史 – 50 年
激光发展简史 – 激光与诺贝尔奖
➢ 1900年，普朗克提出了能量量子化概念，因此获得了 1918年诺贝尔物理学奖：
"in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta".
激光发展简史 – 史上最牛激光器
➢ 1958年，Schawlow和Townes在Physics review letter上面发表论文 “Infrared and Optical Master”, 标志着激光作为一全新事物登上了历史舞台。
➢ 1960年，休斯实验室的梅曼（Maiman）和兰姆 （Lamb）共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红 色激光，标志着世上第一台激光器的诞生。
激光器发展简史 – 60’s
• 1960年，BELL实验室制成了第一台氦氖激光 器；
• 1961年，第一台光纤激光器；
• 1962年，第一台GaAs半导体激光器； • 1963年，液体激光器； • 1964年，CO2气体激光器； • 1964年，离子激光器； • 1964年，Nd:YAG固体激光器； • 1965年，HCL化学激光器； • 1966年，生物染料激光器。
➢ 1952年，韦伯（F.Weber）在受激辐射讨论会上得到启 示，产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁 波的想法。他提出了微波激射器的原理。
➢ 1954年，第一台氨分子Master建成，首次实现了粒子 数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背 景辐射。TOWNES由于在受激辐射放大方面的成就而获 得1964年诺贝尔物理学奖：
"for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum".
Willis Eugene Lamb
➢ 1950年，法国物理学家Kastler提出了光学泵浦的方法， 两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研 究微波谐振的方法而获得1966年年诺贝尔物理学奖：
Max Planck
➢ 1905年，爱因斯坦提出了光子假说并成功解释了光电 效应，并因此获得了1921年诺贝尔物理学奖：
"for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect".
离子，原子，半导体，X射线 • 输出功率：大功率，低功率 • 工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，
连续 • 输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向 • 激光模式：多波长，单一模式
激光技术发展简史之三
• 激光器在各个方面的应用 • 信息技术：激光通讯 • 检测技术：激光测距 • 激光加工：激光打孔、激光切割、激光
焊接 • 医学应用：矫正近视、激光整容 • 科学研究：激光核聚变
"for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms".
Alfred Kastler
激光发展简史 – 激光与诺贝尔奖
➢ 1951年，Townes提出受激辐射微波放大，即MASTER 的概念。
Niels Bohr
➢ 1917年，爱因斯坦在波尔的原子结构基础上，提出了波 尔借鉴了普朗克的量子理论提出了受激辐射理论，为激光 的出现奠定了理论的基础
E2 hv=E2-E1
该理论预言：光子和原子相互作用包含三种过程:自发辐射、受
激吸收和受激辐射；提出在物质与辐射场的相互作用中，构成
物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或