激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器
光放大器与 激光器 原理
光放大器与激光器原理
光放大器和激光器都是基于激光放大原理工作的光学器件，但它们在功能和应用上有所不同。
光放大器的原理是通过将输入的光信号经过放大后输出，从而增加光信号的强度。
光放大器通常使用光纤或半导体材料作为工作介质。
当输入光信号进入光放大器中，它会与工作介质中的激发态粒子相互作用，从而导致激发态粒子退激发并释放出额外的能量。
这些能量会被传递给输入光信号，使其增强。
典型的光放大器包括光纤放大器和半导体光放大器。
激光器的原理是通过光放大器中的正反馈和激发态粒子的逆转跃迁来产生激光光束。
在激光器中，初始的光信号被输入到光放大器中，然后通过正反馈的反射和逆转跃迁的过程，在工作介质中产生高度相干和高能量的光子。
这些光子会被反射或透射出来，形成一个激光束。
激光器广泛应用于通信、医疗、测量、材料加工等领域。
常见的激光器包括气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
总的来说，光放大器的主要功能是增强输入光信号的强度，而激光器则是在此基础上产生高度相干和高能量的激光光束。
光纤光学及技术应用学什么
光纤光学及技术应用学什么光纤光学及技术应用学是一个涉及光纤理论、光纤器件、光网络以及光纤传感等多个方面的学科。
光纤光学是以光纤为研究对象的光学学科，主要围绕光纤的制备、光信号的传输与调控等方面展开研究。
光纤技术应用学则是以光纤技术在各个领域的应用为重点，包括通信、医疗、军事、工业等多个领域。
光纤光学及技术应用学主要涉及的内容包括：1. 光纤的制备与表征：研究光纤的材料、结构、制备工艺以及光学性能等方面，通过对光纤的表征与分析，为其应用提供基础支持。
2. 光纤通信系统：研究光纤在通信系统中的应用，包括光纤通信原理、光纤通信网络结构、光纤通信器件等方面，为高速、大容量、长距离的光纤通信提供技术支持。
3. 光纤传感技术：利用光纤的特性，设计并研究光纤传感器，用于测量温度、压力、光强等物理量，广泛应用于医疗、环境监测、工业控制等领域。
4. 光纤激光器及光纤放大器：研究光纤激光器及光纤放大器的原理、结构和性能，广泛应用于光通信、激光加工、医疗美容等领域。
5. 光纤成像技术：研究利用光纤进行光学成像的技术，包括光纤显微镜、光纤内窥镜等，广泛应用于医学影像、工业检测等领域。
光纤光学及技术应用学的发展对于提高通信技术、促进医疗技术进步、拓展工业应用等方面具有重要意义。
在通信领域，光纤技术的应用可以实现高速、大容量的信息传输，为信息社会的发展提供了基础保障。
在医疗领域，光纤传感技术的应用可以实现对人体各种生理参数的实时监测，为医学诊断和治疗提供了新的手段。
在工业领域，光纤激光器及光纤传感器的应用可以提高生产效率、改善产品质量，为工业自动化和智能制造提供了技术支持。
随着信息社会的不断发展，对通信技术的需求不断增加，光纤通信系统作为当前主要的信息传输方式之一，对其性能和可靠性有更高的要求，因此光纤光学及技术应用学研究的重点之一是提高光纤通信系统的技术水平，研究新型光纤器件、光纤网络技术以及光纤通信系统的安全性和稳定性。
光机的分类
光机的分类一、光机的分类1. 光纤通信设备：光纤通信设备是光机的一种重要分类，主要用于光纤通信系统中的光信号的传输和处理。
其主要包括光纤收发器、光纤放大器、光纤交换机等。
光纤收发器是将电信号转换为光信号或将光信号转换为电信号的设备，用于实现光纤与电信号之间的相互转换。
光纤放大器是一种能够增强光信号强度的设备，用于克服光信号在传输过程中的衰减。
光纤交换机是一种用于实现光纤通信系统中光信号的交换和路由的设备，可以实现光纤网络中不同节点之间的通信。
2. 光学传感器：光学传感器是利用光学原理和技术进行测量和检测的设备，广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。
光学传感器可以通过测量光信号的强度、频率、相位等参数来实现对被测量物理量的检测。
常见的光学传感器包括光电二极管、光纤传感器、光谱仪等。
光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的设备，常用于光电测量和光通信系统中。
光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，可以实现对温度、压力、形变等物理量的测量。
光谱仪是一种能够将光信号按照其波长进行分析和测量的设备，常用于光谱分析和光学光谱测量等领域。
3. 光学显微镜：光学显微镜是一种利用光学原理和技术对微小物体进行观察和研究的设备。
光学显微镜通过透射光学系统和目镜、物镜等光学元件的组合，实现对微小物体的放大和成像。
光学显微镜广泛应用于生物学、医学、材料科学等领域，可用于观察细胞、组织、微生物、材料表面等微观结构和性质的研究。
光学显微镜的主要特点是具有较高的放大倍数和分辨率，能够实现对微小物体的高分辨率观察和成像。
4. 激光器与光学系统：激光器是一种产生和放大具有高度一致相位和强度的激光光束的设备，是光学系统的核心元件之一。
激光器的主要特点是具有较高的单色性、方向性和亮度，可广泛应用于激光加工、激光医学、激光通信等领域。
光学系统是由多个光学元件组成的系统，用于对光信号进行处理、调制和控制。
光学系统可以实现对光信号的聚焦、分束、偏振、调制等功能，广泛应用于激光加工、光通信、光存储等领域。
大模场面积光纤高功率光纤激光器与光纤放大器
大模场面积光纤高功率光纤激光器与光纤放大器随着大功率半导体激光技术的发展，半导体激光泵浦的固体激光器（DPSSL）在很大程度上克服了灯泵浦固体激光器的效率低、规模难以扩大、亮度随规模扩大而增大有限、介质热变形导致的光束质量下降等问题。
随着半导体激光器阵列价格的下降和固体激光器性能的提高，高功率DPSSL必将获得更为广泛的应用。
虽然DPSSL相对于CO2和灯泵Nd：YAG具有很大的优越性和竞争力，但由于在激光产生时总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热，对于常规的棒状DPSSL，高功率时存在严重的热透镜和热致双折射效应，从而使得光束质量下降。
这部分热能量如何从棒状激光介质中散发、排除，成为获得高光束质量、高功率输出的关键。
将块状激光介质做成薄片或拉成细长光纤形状，将会有效增大散热表面积，使表面积/体积比大大提高，有利于固体激光器散热问题的解决，这就是高功率固体激光器发展的两个重要方向：薄片激光器和光纤激光器。
通常所说的光纤激光器，就是采用光纤作为激光介质的激光器，通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子，获得所对应波段的激光输出。
对于常规的单模光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光也必须为单模，这限制了泵浦光的入纤效率，导致光纤激光器的输出功率和效率较低。
双包层光纤的提出，为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效的技术途径，改变了光纤激光器只能作为一种小功率光子器件的历史。
考虑到量子转换效率、抗激光损伤阈值和基底损耗等原因，掺镱石英双包层光纤是实现高功率光纤激光器或放大器的最佳选择。
随着双包层光纤制作工艺和高功率半导体激光泵浦技术的发展，单根双包层光纤激光器的输出功率逐步提高，连续输出功率已经达到千瓦级。
大模场面积双包层光纤双包层光纤中折射率呈典型的阶跃式分布，对于圆形的掺杂纤芯，双包层光纤激光器能否实现单模激光输出，取决于纤芯的直径d和数值孔径NA0，实际的单模条件为归一化频率。
要保证双包层光纤激光器实现单模激光输出，纤芯的参数必须满足上述条件。
光纤激光器的原理及应用
光纤激光器的原理及应用前言光纤激光器是一种利用光纤作为介质传输激光能量的器件，具有高效率、高可靠性和方便布线的特点。
本文将介绍光纤激光器的工作原理以及其在各个领域的应用。
工作原理光纤激光器是通过一系列的光学元件将光线限制在光纤内部，并利用光纤中的光耦合技术将激光能量传输到目标位置的设备。
下面将详细介绍光纤激光器的工作原理。
1.激光器结构光纤激光器一般由泵浦源、光纤增益介质、谐振腔和输出光纤组成。
泵浦源提供能量供给，激发光纤增益介质中的活性离子跃迁发射出光子。
谐振腔用于产生激光的振荡和放大。
2.光纤增益介质光纤增益介质一般采用掺杂了活性离子的光纤，并且活性离子的浓度要足够高以保证放大效果。
常用的增益介质有掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤等。
3.泵浦源泵浦源一般采用激光二极管或固体激光器，通过泵浦能量将活性离子兴奋到激发态。
4.谐振腔谐振腔是光纤激光器中光的振荡和放大的地方。
谐振腔通常由两面具有高反射率的光纤光栅组成，形成一个光学腔，使激光在腔内进行反复反射，增强激光的能量。
5.输出光纤输出光纤负责将激光能量从激光器传输到目标位置。
输出光纤一般具有高纯度、低损耗和稳定的特点。
应用领域光纤激光器具有广泛的应用领域，下面将分别介绍光纤激光器在工业、医疗和通信领域的应用。
工业应用•材料加工：光纤激光器可以用于金属切割、焊接、打孔等材料加工工序，具有精确性高、速度快、不产生物理接触等优点。
•雷达测距：光纤激光器可以应用于测距仪器，利用激光器发射一束光线，通过测量光的反射时间来计算距离。
•光纤通信：光纤激光器可在光纤通信中作为信号的光源和放大器，具有高效率、高信号质量和大带宽等特点。
医疗应用•激光手术：光纤激光器可用于激光手术，如激光手术切割、焊接和去除异物等，具有创伤小、出血少、精确性高等优点。
•激光治疗：光纤激光器可用于激光治疗，如激光照射疗法、激光物理疗法和激光穿透疗法等，可以用于肌肤美容、康复和疾病治疗等。
科思创 产品分类
科思创产品分类
科思创（Coherent）是一家全球领先的激光技术公司，其产品涵盖了多个领域。
以下是科思创的产品分类：
1. 激光器与光学系统：包括连续波激光器、脉冲激光器、固态激光器、半导体激光器等，适用于科研、工业、医疗、通信等各个领域。
2. 光纤激光器与光纤系统：包括光纤激光器、光纤放大器、光纤耦合器等，提供高效、可靠的激光光源和光纤传输解决方案。
3. 激光加工系统：包括激光切割机、激光焊接机、激光打标机等，广泛应用于汽车制造、电子制造、医疗器械等行业。
4. 光学元件与光学器件：包括光学透镜、光学滤波器、光学偏振器件等，用于光学仪器、激光系统等的组装和优化。
5. 光学测量与控制设备：包括光学干涉仪、光学光谱仪、光学成像系统等，用于光学性能测量和实时监测。
6. 激光检测与测量设备：包括激光雷达、激光测距仪、激光扫描仪等，应用于测绘、机器人、安防等领域。
7. 激光治疗与医疗设备：包括激光手术刀、激光疗法设备、激光美容仪器等，用于医疗和美容行业。
科思创的产品广泛应用于科学研究、工业制造、医疗保健、通信等
领域，为客户提供高质量、高性能的激光技术解决方案。
780nm激光器用途
780nm激光器用途1. 光通信：780nm激光器具有较窄的光谱线宽和较高的功率稳定性，非常适合用于光纤通信系统中的光源。
它可以用作光纤放大器、光纤激光器和光纤光源等。
由于其工作波长接近于常规光纤的传输窗口，能够有效地传输信息，因此在光纤通信领域具有巨大的潜力。
2. 医疗应用：780nm激光器在医疗领域中被广泛应用于激光治疗、激光手术和激光诊断等方面。
例如，它可以用于皮肤病的治疗，通过选择性吸收激光的原理，可有效地去除不同类型的皮肤问题，如血管病变、色素沉着和皱纹等。
此外，它还可以用于眼科手术，如近视手术和白内障手术等。
3. 生物医学成像：780nm激光器在生物医学成像中的应用也非常广泛。
它可以用于各种成像技术，如光学相干断层扫描（OCT）、多光子显微镜和荧光显微镜等。
这些技术能够提供高分辨率和高对比度的图像，用于观察和研究生物体内部的结构和功能。
4. 工业应用：780nm激光器在工业领域中也有许多应用。
例如，它可以用于激光雷达系统中的探测和测距，用于无人驾驶汽车、机器人和安防系统等。
此外，它还可以用于激光制造、激光切割和激光焊接等工业加工过程中，以提高加工精度和效率。
5. 科学研究：780nm激光器在科学研究中也具有重要的地位。
例如，它可以用于光谱分析，透过分析被物质吸收和发射的光谱线来研究物质的结构和性质。
此外，它还可以用于原子物理学和量子光学等领域中的实验研究，用于制备冷原子和量子纠缠等。
6. 军事和安全：780nm激光器在军事和安全领域中也有一定的应用。
例如，它可以用于激光测距仪和激光瞄准器等。
此外，它还可以用于激光雷达系统，以监测和追踪目标。
总之，780nm激光器具有广泛的应用领域，包括光通信、医疗、生物医学成像、工业应用、科学研究和军事安全等。
随着激光技术的不断发展，预计它的应用领域将进一步扩大。
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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5
7.2 激光焊接
三、激光热导焊
2）激光热导焊的工艺以及部分参数 ※ 离焦量对焊接质量的影响：因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激光 热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。
正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方
8
7.3 激光打孔
二、激光打孔工艺参数的影响
※ 激光打孔中离焦量对打孔的影响 当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一 位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大 降低，以至打成盲孔（图7-15）。
图7-15 离焦量对打孔质量的影响
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7.3 激光打孔
五、激光焊的优点
图7-21 深熔焊小孔示意图
7
7.3 激光打孔
一、激光打孔原理
激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘 （图7-13）。
图7-13 激光打孔机的基本结构示意图
二、激光打孔工艺参数的影响
※ 脉冲宽度对打孔的影响 ：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄 脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的 表面粗糙度变大，尺寸精度下降。
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2
7.1 激光加工的一般原理
2）材料的反射、吸收和导热性
※激光正入射，在光点中央的温度上升值ΔT与被吸收的光功率、导热系
数之间的关系
P
?
T
?
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' 0
K
2.激光加工举例 1）激光焊接 2）激光打孔 3）激光切割
3
7.2 激光焊接
一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。 其优点：
※ 氧助熔化切割: 金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应 （即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体 压力将氧化物从切缝中吹掉。
三、激光切割的工艺参数及其规律
※ 激光功率: 激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。 ※ 切割速度: 在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表 面粗糙度也有较大影响。
4
7.2 激光焊接
三、激光热导焊
1）激光热导焊的原理 热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面 热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶 池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。 2）激光热导焊的工艺以及部分参数 ※ 激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊 ※ 激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图7－20
※ 脉冲激光热导焊的脉冲波形：脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响 ※脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等焊 接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之则小。因此，要根据 激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲宽度。
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7.2 激光焊接
1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强 的材料实施焊接。 2）在激光焊接过程中无机械接触,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形 3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。
二、图7-19所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。
图7-19 阴极芯的激光焊接设备原理图 1:光束分束器； 2:聚焦透镜； 3：阴极芯
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7.4 激光切割
一、激光切割的原理与特点
1、切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于 0.1mm）使焦点处 达到很高功率密度（可超过 10 6W/cm2）。如图7-17所示为激光切割头的结构， 除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。
2、激光切割的特点：
图7-17 激光切割头的结构示意图
二、激光打孔工艺参数的影响
※ 脉冲激光的重复频率对打孔的影响 用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高 ，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。
※ 被加工材料对打孔的影响 材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同 的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。
率为200W，透镜焦距f＝10mm，求透镜后焦点处光斑有效截面内的平均功率密 度？
2）材料的反射、吸收和导热性
※光波照射在不透明的物体表面时， 一部分被反射，一部分被吸收；不 同材料的反射率和波长有密切的关系；
R
?
(1 ? (1 ?
? )2 ? )2
0，材料吸收系数为α，则进入到材料内部 距表面距离为x处的光强为
四、激光深熔焊
1）激光深熔焊的原理 当激光功率密度达到106—107W／cm2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射 散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图7-21），孔内金属蒸汽压力与四 周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。
2）激光深熔焊工艺参数 ※ 临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某 一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界 功率密度 ※ 激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深与激光输出 功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数。 3）激光焊接过程中的几种效应
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7.4 激光切割
二、激光切割分类及其机理
※ 汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分 材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ /cm2左右，是无熔化材料的切割方式 ※ 熔化切割: 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流 将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右
激光加工技术 光纤通信系统中的激光器和光放大器
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7.1 激光加工的一般原理
1.激光加工大都基于光对非透明介质的热作用，也即吸收光能引起的热效应。 因此激光光束特性、材料对光的吸收作用以及导热性等有重大影响；
1）光束特性
例：一个CO2激光器，设聚焦前透镜面上光斑尺寸 ? ? 10m m，有效截面输出功