高功率光纤激光器研究现状分析教学教材

合集下载

高功率全光纤激光器及放大器中关键问题的研究的开题报告

高功率全光纤激光器及放大器中关键问题的研究的开题报告标题：高功率全光纤激光器及放大器中关键问题的研究一、研究背景及意义随着通信、医疗、材料加工等领域的快速发展，越来越多的应用对高功率、高效率的激光器及放大器提出了需求。

然而，传统的激光器及放大器并不能满足这些需求，而且它们面临着诸如过程复杂、易受热的影响等问题。

全光纤激光器及放大器因其简单、可靠、易于维护等特点，成为了高功率激光器及放大器的重要发展方向之一。

因此，本研究的目的是深入研究高功率全光纤激光器及放大器中的关键问题，为其应用提供基础性的支撑。

二、研究内容和方法1. 研究在全光纤激光器中的光学增益机制，分析影响激光器性能的因素。

2. 研究在全光纤放大器中的光学强度饱和机制、温度效应、非线性效应等问题，分析各种因素对激光器性能的影响。

3. 利用数值模拟、实验等方法研究全光纤激光器及放大器中高效、纵向耦合方法，探究其对性能和成本的影响。

三、预期成果本研究的预期成果包括：1. 在全光纤激光器及放大器中光学增益机制、光学强度饱和机制等方面的深入探究，为其性能提升提供理论支撑。

2. 全光纤激光器及放大器中的温度、非线性效应等问题的研究，为其稳定性提升提供理论指导。

3. 针对全光纤激光器及放大器中高效、纵向耦合方法的研究，为应用提供更加经济、高效的方案。

四、研究计划本研究计划分为以下几个阶段：1. 文献调研和理论研究。

在国内外相关文献的基础上，深入研究全光纤激光器及放大器中关键问题的理论基础，确定研究方向和方法。

2. 光学性能研究。

利用光谱分析仪、放大器等仪器，对全光纤激光器及放大器中的光学性能进行详细的探究和分析。

3. 数值模拟和实验研究。

使用国际知名的仿真软件对全光纤激光器及放大器中的光学效应进行模拟，结合实验，探究其影响性能的机理及其优化方法。

4. 多参数优化设计。

结合研究结果，优化全光纤激光器及放大器的设计参数和制造工艺，提高其性能和耐久性。

五、预期的应用前景和意义本研究所得的结论和方法将为高功率全光纤激光器及放大器的研发和应用提供重要的支持。

高功率光纤激光的发展现状与应用

Modern Physics 现代物理, 2020, 10(6), 103-112Published Online November 2020 in Hans. /journal/mphttps:///10.12677/mp.2020.106012高功率光纤激光的发展现状与应用孙国玉，杨君婷，包明冉，袁毅，李再金*，赵志斌，曾丽娜，李林，乔忠良，陈浩，曲轶海南师范大学物理与电子工程学院，海南省激光技术与光电功能材料重点实验室，海南海口收稿日期：2020年10月12日；录用日期：2020年10月27日；发布日期：2020年11月3日摘要首先阐述了光纤激光器的定义、结构及分类，通过与传统的激光进行对比，总结了光纤激光的优点和缺点，其次对国内和国外的高功率光纤激光的发展进程进行了介绍。

另外，研究了高功率光纤激光的关键技术，尤其是光纤激光的增益介质和泵浦耦合技术，其中光纤激光的增益介质包括双包层掺杂光纤和光子晶体光纤。

泵浦耦合技术包括端面泵浦耦合技术和侧面泵浦耦合技术。

最后对高功率光纤激光在工业、医疗和军事等领域的应用进行了阐述，以及对目前的高功率光纤激光技术进行总结，提出高功率光纤激光的发展趋势。

关键词高功率，光纤激光，增益光纤，泵浦耦合Development Status and Applicationof High Power Fiber LaserGuoyu Sun, Junting Yang, Mingran Bao, Yi Yuan, Zaijin Li*, Zhibin Zhao, Lina Zeng, Lin Li, Zhongliang Qiao, Hao Chen, Yi QuSchool of Physics and Electronic Engineering of Hainan Normal University, Hainan Key Laboratory of LaserTechnology and Optoelectronic Functional Materials, Haikou HainanReceived: Oct. 12th, 2020; accepted: Oct. 27th, 2020; published: Nov. 3rd, 2020AbstractFirstly, the definition, structure and classification of fiber laser are described. Compared with tra-ditional laser, the advantages and disadvantages of fiber laser are summarized. Secondly, the de-*通讯作者。

全光纤化高功率光纤激光器理论及实验研究的开题报告

全光纤化高功率光纤激光器理论及实验研究的开题报告一、选题背景与意义随着现代工业、医疗、通信等领域对于光学器件和光学系统的要求越来越高，高功率光纤激光器正成为广泛关注的研究领域。

与传统的固体激光器相比，光纤激光器具有光学稳定性好、体积小、寿命长、维护简单等优势，因此被广泛应用在材料加工、医学与生物学、光电通信等领域。

现有的高功率光纤激光器一般采用了外置调制器和大模场光纤结构，尽管在应用中表现出良好的性能，但它们具有调制带宽较低、器件分布参数受限等不足之处。

因此，如何进一步提高高功率光纤激光器的性能成为了迫切的问题。

本课题旨在通过全光纤化的设计思路和相应的实验研究，解决高功率光纤激光器中存在的困难，提升其性能指标，对于光学器件和光学系统领域的发展具有重要意义。

二、研究内容本研究计划主要从以下两个方面展开：1. 全光纤化激光器结构设计本研究将采用全光纤化的设计思路，通过理论模拟研究和实验验证，确定避免器件分布参数受限、光学稳定性好、体积小等特点的全光纤激光器结构设计方案。

具体包括：激光器波长选择、光纤芯最大直径选择、多芯光纤尺寸和结构设计、调制器设计、增益纤维长度等参数的优化，以及光纤激光器输出光的纵模谐振。

2. 实验研究基于以上设计方案，本研究将进行光纤激光器的实验研究。

通过实验对光纤激光器综合性能和稳定性等指标进行测试，验证其在材料加工、医学与生物学、光电通信等领域的应用价值。

本研究还将重点探究光纤激光器中的非线性效应和光学噪声特性，为其进一步提升性能提供理论参考。

三、研究方法本研究将通过以下三个步骤进行：1. 理论模拟分析通过对全光纤激光器的激光理论传输分析，确定增益纤维长度、调制器长度、调制电压等参数的最佳选择，以及全光纤激光器激光器自耦合调制器的结构设计和优化等。

2. 全光纤激光器的制备基于以上理论分析，采用特定的工艺制备具有优异性能的光纤激光器。

具体包括光纤材料的选择和处理、光纤激光器的组装和调试等。

光纤激光器的应用及我国发展现状分析

光纤激光器的应用及我国发展现状分析
一、光纤激光器的应用
光纤激光器是一种新型的集成芯片激光器，它是由光纤、光学元件、
电子器件等元件制成的集成系统，具有较强的传输特性、低消耗、稳定、
可靠等特点。

由于其低成本、高性能的优点，光纤激光器已经成为光通信、光传感、光显示、生物检测、标记与追踪等多个领域的重要光源。

1、光纤传输
光纤激光器是一种全光电转换器件，可以将电信号转换成光信号，消
除电缆带来的信号损耗，可以在较长的距离内传输高速数据，是高精度、
高速度的数据传输的核心元件。

光纤通信网络的关键部件是光源，由光纤
激光器制成。

2、生物检测
由于光纤激光器的输出功率稳定，可以将其用于生物检测，如分子遗
传学技术、特异性抗体检测技术等，以及荧光以及酶联免疫测定、两性测
定技术等技术。

3、标记与追踪
近年来，我国激光技术的发展取得了显著成就，尤其是在光纤激光器
技术的发展上，在一定时期内取得了长足的进步，大大提高了我国激光光
技术水平。

高功率光纤激光器研究现状分析

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光纤激光器是目前激光技术领域中的重要研究方向之一、它以光纤作为激光光路的传输媒介，具有输出光束质量高、功率稳定等优势，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。

本文将从国内外研究现状和发展趋势两个方面进行讨论。

首先，光纤激光器的国内研究现状。

我国在光纤激光器领域的研究取得了一定的成果。

例如，我国科学家在光纤激光器技术方面进行了大量的探索和研究，研制出了一系列具有自主知识产权的光纤激光器。

这些光纤激光器在传输功率、波长范围、光束质量等方面取得了较高的性能，具有较好的应用前景。

此外，我国在光纤激光器的相关领域也取得了一定的突破。

例如，在光纤材料与制备技术方面，我国科学家成功研制出了高硅石英光纤，使得光纤激光器的输出功率得到了大幅度的提升；在光纤激光器的激光调制与控制技术方面，我国科学家开创性地提出了多光束合成技术，实现了光纤激光器输出光束的形态调控；在光纤激光器的应用领域，我国科学家积极探索光纤激光器在医疗美容、材料加工等领域的应用，取得了一系列重要的应用成果。

其次，光纤激光器的国外研究现状。

与我国相比，国外在光纤激光器领域的研究起步较早，取得了许多重要的研究成果。

例如，美国、德国、日本等国家在光纤激光器的高功率、超快脉冲等方面的研究领先于世界，其研发的高功率、高光束质量的光纤激光器已经在军事、工业等领域得到了广泛应用。

另外，国外科学家在光纤激光器的性能提升和应用拓展方面也取得了一系列重要的突破。

例如，近年来，国外研究机构和企业在光纤激光器的波长可调、频率可调等方面进行了大量研究，并取得了重要的研究成果。

这些成果不仅提高了光纤激光器的功能多样性，还拓展了其在通信、医疗、生物科学等领域的应用空间。

最后，光纤激光器的发展趋势。

随着激光技术的不断进步，光纤激光器在功率、波长、频率、束质量等方面仍有很大的发展空间。

未来，光纤激光器的发展趋势主要体现在以下几个方面：首先，光纤激光器的功率将继续提升。

高功率光纤激光器研究现状分析

高功率光纤激光器研究现状分析首先，随着光纤材料的不断改良和光纤激光器技术的不断进步，高功率光纤激光器的输出功率已经实现了快速增长。

传统的光纤激光器在几十瓦到几百瓦的功率范围内，而现在已经出现了功率超过数千瓦的高功率光纤激光器。

这主要得益于光纤材料的改进，如掺镱光纤、光纤棒和双包层光纤等，以及掺铒光纤、掺铽光纤和掺钛光纤等材料的开发。

这些改进使得高功率光纤激光器能够实现更高的功率输出，并具有更好的光束质量。

其次，高功率光纤激光器的工作波长范围也在不断扩展。

最初的光纤激光器工作于近红外波段，主要集中在1μm附近。

然而，随着光纤材料的改进，现在已经出现了工作于中红外和远红外波段的高功率光纤激光器，如掺铒掺铥光纤激光器和掺砷化铟光纤激光器等。

这些新材料的开发使得高功率光纤激光器能够实现更多的应用场景，如医学成像、材料加工和环境监测等。

此外，高功率光纤激光器的束品质也得到了极大的提升。

光纤激光器的束质量通常由M2值来衡量，M2值越小代表光束越接近理想的高斯光束。

近年来，通过使用光纤光栅和光纤非线性效应等措施，高功率光纤激光器的束品质得到了显著改善。

目前，一些商业化的高功率光纤激光器已经能够实现M2值低于1.2，接近于理想的高斯光束。

最后，高功率光纤激光器的可靠性也在不断提升。

传统的光纤激光器在高功率输出时容易受到光纤端面热损伤和光纤中的非线性效应的限制。

然而，通过使用抗反射涂层和熔石英光纤等措施，高功率光纤激光器的可靠性得到了极大的提高。

现在，商业化的高功率光纤激光器已经可以连续工作数千小时，并且能够承受高达数十千瓦的功率输出。

综上所述，高功率光纤激光器的研究取得了显著的进展。

随着光纤材料的不断改良和光纤激光器技术的不断创新，高功率光纤激光器的输出功率、工作波长范围、束品质和可靠性都有了显著的提升。

这些进展使得高功率光纤激光器在医学、通信、材料加工等领域具有更广阔的应用前景。

高功率光纤激光器的研究进展

维普资讯
第３７卷第７期２００７年７月
激光与红外
ＬＡＥＳＲ＆ＩＲＡＲＥＮＦＤ
Ｖ０．７．．１３Ｎｏ７
Ｊｌ，０７ｕｙ２０
文章编号：０１５７（０７０－５９０１０－８２０）７０８－４０
Ｙｂ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。大模面积（Ｍ，称大模场）纤的设计成ＬＡ亦光功，也是高性能光纤发展中的一个重大创新。ＬＡＭ光纤的纤芯密度大为降低，效地抑制了久难解决有
的热光问题。采用低数值孔径（Ａ）ＭＮＬＡ光纤的激光器和放大器，以获得更高功率的衍射限光束质可量的激光输出。最近几年，由于双包层、模面积、大高性能掺杂光纤制造技术进展和可靠的ＬＤ激光泵
ＲｅｅｒｈＰｒｇｅｓｏｇｐｏｒＦｉｅｓｒｓａｃｏｒｓｆＨｉｈ— ｗｅｂｒＬａｅｓ
ＣＨＥＮａ．ａＭｉｏｈｉ
（ｏｔｈｎｅｅｒｈＩｓｔｔｆｌｔ－ｐｉ，ｅｉｇ１０１，ｈｎ）ＮｒＣｉａＲｓａｃｎｔｕｅｏｅｒｏｔｓＢｉｎ００５ＣｉａｈｉＥｃｏ展
陈苗海
（华北光电技术研究所，北京１０１）００５
摘
要：章扼要地介绍国际上高功率光纤激光器的进展状况，点介绍近几年国内外高功率文重光纤激光器与放大器的发展水平和动向。关键词：纤激光器；功率光纤激光器；镱双包层光纤；光高掺大模面积；子晶体光纤光中图分类号：Ｎ４．Ｔ２８１文献标识码：Ａ

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

致力于大模场光纤的主要研究机构
美国能源部Sandia国家实验室美国Aculight 公司美国OFS实验室美国罗切斯特大学(University of Rochester) 美国密执安大学(University of Michian) 德国耶拿大学(University of Jena) 德国IPG光子公司英国南安普敦大学(University of Southampton) 芬兰Liekki公司日本北海道大学(Hokkaido University)
模式与增益的重叠因子；小信号增益系数；第i个模式的功率；模式场分布；基模的饱和光强
21
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益分布与模式竞争能力
LP31模的增益是基模的2.5倍
高阶模相对填充因子与光强的关系NA=0.05, d=50um, Γ=1
低饱和时， LP01的增益最大，饱和加深，高阶模获得的增益超过基模
19
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益影响模场分布
无增益 : 5194 um2 有增益：3868 um2
20
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益分布与模式竞争能力
g0 g0r,,zg0z f r,
dPi z
dz
i
zg0
zPi z
iz1fIr0,r,i,zr,/Isa2t rdrd
Γi(z) g0 Pi(z) φi(r,θ) I0(r,θ,z)
阶跃分布
平坦模分布
锥形分布
二次曲线分布
混合折射率分布
p
nr
nmax
n
r Rcore
9
1.1 光纤的结构设计
❖ 纤芯的折射率分布影响模场特性
高折射率区分布偏离轴心，有利于增加模场面积，但模场的约束能力下降，弯曲引起的畸变严重；
四层泄漏形分布
平坦模分布
高折射率区越趋向中心，模场的抗弯性加强，弯曲畸变少，但模面积偏小。
弯曲损耗曲线
1
0.8
d＝30um, NA＝0.05
0.6
0.4
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
弯曲时半径 ( m )
18
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
激光光纤中的模式由折射率差和增益分布共同作用决定；
n n j / 2 g
V 2
d
2
2n0
n
j
2
g
N jG
传统激光光纤增益作用微乎其微，而大模场光纤，折射率差小到 10－3～10－4, 增益0.1～1/cm，增益导引与折射率导引共同作用。
CF
PF
0.8
Mode Intensity Profiles for Different Fibers (Bend)
1
0.9
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Radial Position (um)
锥形分布
二次曲线分布
10
1.1 光纤的结构设计
❖ 同参数下，不同折射率分布相应的模场弯曲变化
Normalized Intensity Normalized Intensity
Mode Intensity Profiles for Different Fibers (Unbend)
1
FM
0.9
SIF
5
研究的总体思路
立足于光纤的结构设计，通过改变纤芯或包层的折射率分布，降低等效折射率差，并改进纤芯的掺杂分布，突出基模的增益优势，达到增大模场面积、抑制高阶模的目的，同时借助于外部的选模方式、模式转换等机制，有效滤除高阶模，实现单模输出，并确保系统稳定工作。
6
1. 主要技术路线
光纤结构设计多模光纤模式选择控制多模光纤
16
1.1 光纤的结构设计
❖ 光子晶体光纤
调整空气孔间距、大小、填充率等参数，获得低损耗大模光纤
Aeff = 1417um2 Λ=20um, d /Λ=0.451, d1 /Λ=0.95, d2 /Λ=0.51, 高阶模约束损耗 >1dB/m, 弯曲半径： R=5cm
17
1.2 模式选择控制
❖ 弯曲选模
复合导引光纤光子晶体光纤弯曲选模泄漏选模
单模光纤大模面积
多模光纤输出单模
大模面积基模
模式转换法基模光纤
高阶模光纤
基模光纤
7
1.1 光纤的结构设计
纤芯折射率变化
包层折射率变化
折射率和掺杂分布变化
光子晶体结构
结构可精确调整，具有特殊性质
8
1.1 光纤的结构设计
❖ 几种纤芯的折射率分布
2645 1142 617 401
517
5.12
542
2.11
600
1.03
400
1.00
11
1.1 光纤的结构设计
❖ 几种纤芯的折射率分布对模场性能的影响
权衡各因素的影响
混合型折射率分布
12
1.1 光纤的结构设计
❖ 包层折射率变化
泄漏结构
耦合泄漏结构
三包层结构
光子晶体结构
13
1.1 光纤的结构设计
0
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Radial Position (um)
模面积变化（d＝50um）
FM SIF CF PF
40
50
横截面折射率分布不弯曲时模面积 (um2) 弯曲后模面积 (um2) 压缩率
平坦模分布（FM) 阶跃分布（SIF）锥形分布（CF）二次曲线分布 (PF)
光纤激光器往往在弯曲情况下使用，最简单、最常用的选模方式是弯曲损耗选模；
光纤弯曲后，导模变为泄漏模甚至辐射模，发生沿弯曲半径方向的能量辐射, 引起高低阶模不同程度的弯曲损耗；
光纤芯径比较小时，选模效果明显；
2
LP01
1.8
LP02
LP11
1.6
LP12
耦合系数 ( dB/m )
1.4
1.2
❖ 纤芯、包层折射率都变化
要实现低折射率差，要求d/Λ很小，孔容易坍塌，纤芯掺细丝，降低纤芯折射率
14
1.1 光纤的结构设计
❖ 折射率和掺杂分布变化
复合结构
抑制型三包层结构
15
1.1 光纤的结构设计
❖ 光纤结构的确定需权衡5个因素的影响
大基模场面积弯曲模场的畸变程度工作敏感性高低阶模的损耗差折射率差在可加工范围内
高功率光纤激光器研究现状分析
1
内容目录
1 主要技术路线 2 最新研究进展 3 目前面临困难
2
高功率光纤激光器要求
短光纤
高泵浦Байду номын сангаас收率
高损伤阈值
高功率激光
高非线性阈值
包层小
优良导热率
全玻璃光纤
大模场光纤
高数值孔径
3
大模场激光光纤的研究
研究目标
增大模场面积提高光束质量提升输出功率增加稳定特性
4