大功率激光光纤传输系统的设计
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。
激光器技术在多模光纤中的应用研究
激光器技术在多模光纤中的应用研究摘要：激光器技术在多模光纤中的应用具有广泛的研究价值和应用前景。
本文将探讨多模光纤中激光器技术在通信、医疗和工业等领域的应用，并介绍其中的原理和技术方法。
通过对现有文献资料的综述和分析，发现激光器技术在多模光纤中的应用研究已经取得了一定的成果，但仍存在一些问题和挑战需要进一步研究和解决。
1. 引言多模光纤是一种能够传输多个模式的光信号的光纤。
激光器作为一种高度相干、高功率的光源，具有很大的潜力在多模光纤中实现高速、远距离的光通信、医疗和工业应用。
本文将以此为研究对象，探讨激光器技术在多模光纤中的应用研究现状。
2. 多模光纤中激光器技术的应用2.1 多模光纤通信系统多模光纤通信系统利用激光器技术产生的高功率激光信号进行光信号传输，实现高速的数据传输。
在传统的多模光纤通信系统中，采用的激光器主要是半导体激光器和氦氖激光器。
然而，这些激光器存在一些问题，如波长偏移、功率损失等。
近年来，研究人员提出了一种基于外腔激光器技术的多模光纤通信系统，在传输效率和传输距离上取得了显著的改进。
2.2 多模光纤激光共振器多模光纤激光共振器是一种基于激光器技术的光源，它利用多模光纤中的多个模式进行激光信号放大，产生高功率的激光输出。
在医疗和工业领域，多模光纤激光共振器可以应用于激光切割、激光焊接、激光打标等多种工艺中。
研究人员通过改进共振腔的设计和匹配不同类型的激光器，使多模光纤激光共振器实现了更高的效率和更稳定的激光输出。
2.3 多模光纤传感多模光纤中的激光器技术还广泛应用于传感领域。
通过利用激光器产生的高精度的激光光束和多模光纤的传输特性，可以实现对温度、压力、形变等参数的高灵敏度检测。
同时，由于多模光纤具有大量的传输通道，可以将多个传感器连接在一根光纤中，实现对多个参数的同时监测。
3. 多模光纤中激光器技术的挑战和问题在多模光纤中应用激光器技术面临一些挑战和问题。
首先，多模光纤中的模式间互相干涉和耦合现象对激光器输出光波的稳定性和光束质量产生了不利影响。
激光焊接光路设计
激光焊接光路设计1.引言1.1 概述概述部分:激光焊接是一种高效、精确的焊接技术，广泛应用于制造业和工程学领域。
它利用激光束的高能量密度来瞬间加热材料，使其熔化并通过凝固形成牢固的焊点。
相比传统的焊接方法，激光焊接具有许多优势，例如焊缝狭窄、热影响区小、焊接速度快等。
在激光焊接过程中，光路设计起着至关重要的作用。
光路设计是指在激光束从激光器到焊接头部的传输过程中，通过适当的镜头、光纤和反射器等光学元件的安排，来保证激光能量的高效传输和聚焦。
光路设计的好坏直接影响到焊接质量和效率。
光路设计的关键要点包括激光器的选择、光路的稳定性、聚焦效果以及激光束的质量等。
首先，选择合适的激光器对于焊接效果至关重要。
不同激光器具有不同的功率、波长和调制特性，需要根据具体需求来选择。
其次，光路的稳定性是保证激光束传输的关键因素，需要合理安装和调整光学元件，减少光路中的散射和反射损耗。
此外，聚焦效果的好坏也会直接影响到焊接质量和工艺参数的选取。
最后，激光束的质量需要通过合理的光学元件设计和使用，来减少光束发散和畸变。
未来，随着激光技术的发展和应用的扩大，激光焊接光路设计也将面临新的挑战和机遇。
例如，随着光纤激光器的发展，光纤传输将成为激光焊接的主要方式，需要进一步研究和改进光纤传输的技术。
另外，激光束的调控和控制也是光路设计领域的研究重点，可通过自适应光学、波前传感等技术来实现。
因此，激光焊接光路设计具有广阔的研究和应用前景，对于推动激光焊接技术的发展具有重要意义。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下:本文共分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分包括概述、文章结构和目的，旨在介绍文章的主题和框架。
正文部分分为激光焊接的原理和应用、光路设计的重要性两个小节，主要对激光焊接技术的原理和应用进行探讨，并强调了光路设计在这一过程中的重要性。
结论部分总结了激光焊接光路设计的关键要点，同时展望了未来激光焊接光路设计的发展方向。
大功率激光光纤耦合技术
Ξ 2004 年 10 月 A P PL I ED L AS ER October 2004
大功率激光光纤耦合技术研究 3
Fig 3 coupling efficiency vs. obliquitous error (θ)
Fig 2 coupling efficiency vs. upright error (s)
(2) 纵向误差 s
纵向偏移误差是指激光的束腰不在光纤的端面
上 ,而是与光纤端面有一定的距离 ,这个距离就是纵
向误差 。我们假设聚焦激光光斑半径与光纤芯径是
相等的 ,耦合进光纤的光功率与光纤和光斑的重叠
面积成正比 ,则光纤耦合效率就等于光纤纤芯的面
积与激光光斑面积之比 。计算可以得到激光光斑与 光纤端面的纵向偏移对耦合效率影响为[7 ] :
ηs
=
Sf So
=
( w
+
w
s·ta
nθc
)
2
(6)
式中 w 为激光焦斑半径 ,θc 为光纤的临界入射
ܻ༸֥࿊ᄴაܻ༸؊૫ԩ
大功率激光光纤耦合技术的研究 ,光纤的选择 是首要问题 。一般来说传能光纤主要分为两种 :塑 料包 层 石 英 光 纤 ( PCS) 和 石 英 包 层 石 英 光 纤 ( HCS) 。两者相比塑料包层石英光纤的损伤阈值较 低 ,可传输功率较小 ,但数值孔径可以做得比较大 , 通常可以达到 0. 37 左右 ,主要用在激光手术 、光动 力学治疗 、光谱测量 、照明 、传感器等较小功率能量 传输领域中 。石英包层石英光纤的损伤阈值较高 , 可传输功率较大 ,但其数值孔径不能做得很大 ,一般 只有 0. 2 左右 。在大功率激光光纤耦合技术应用
第04章 SDH光传输系统及其性能分析
图 4 2 单 节 点 环 形 网 的 互 连 -
(2) 多节点互连 多节点互连
所谓多节点互连方式是指通过一个以 上的节点来完成两个环网之间的互连， 上的节点来完成两个环网之间的互连，如 所示。 图4-3所示。图中给出两种最简单的双节点 所示 互连方式。 互连方式。这样两个环间的业务互连就存 在一个以上的路径， 在一个以上的路径，因而即使某一互连路 径上的设备出现故障， 径上的设备出现故障，也可以利用迂回路 由完成互通，从而保证了业务的安全性。 由完成互通，从而保证了业务的安全性。 但与单节点互连方式相比一次性投资成本 较高。 较高。
图4-6 假设参考数字连接组成图
2.假设参考数字链路（通道） 2.假设参考数字链路（通道） 假设参考数字链路
把HRX中的两个相邻交换点的数字配 中的两个相邻交换点的数字配 线架间所有的传输系统、复接、分接设备 线架间所有的传输系统、复接、 等各种传输单元（不包括交换），用假设 等各种传输单元（不包括交换），用假设 ）， 参考数字链路（HRDL）表示。 参考数字链路（ ）表示。
（2） 色散受限系统
光纤自身存在色散，即材料色散、 光纤自身存在色散，即材料色散、波 导色散和模式色散。对于单模光纤， 导色散和模式色散。对于单模光纤，因为 仅存在一个传输模， 仅存在一个传输模，故单模光纤只包括材 料色散和波导色散。 料色散和波导色散。 比较重要的有三类，即码间干扰、 比较重要的有三类，即码间干扰、模 分配噪声和啁啾声。在此， 分配噪声和啁啾声。在此，重点讨论由这 三种因素造成的对系统中继距离的限制。 三种因素造成的对系统中继距离的限制。
光纤色散包括材料色散、 光纤色散包括材料色散、波导色散和 模式色散。 模式色散。前两种色散是由于信号不是由 单一频率而引起的， 单一频率而引起的，后一种色散是由于信 号不是单一模式而引起的。 号不是单一模式而引起的。 色散的程度用时延差表示： 色散的程度用时延差表示：不同速率 的信号，传输同样的距离， 的信号，传输同样的距离，所需的时间不 即各信号的时延不同， 同，即各信号的时延不同，这种时延上的 差别就称为时延差。时延差越大， 差别就称为时延差。时延差越大，色散就 越严重，信号传输距离越短。 越严重，信号传输距离越短。时延差的单 位是ps/(kmnm) 。 位是
大功率半导体激光器合束技术及应用研究
大功率半导体激光器合束技术及应用研究一、概述随着现代科技的飞速发展，大功率半导体激光器在工业加工、医疗、通信等领域的应用愈发广泛，其高效、可靠、体积小的特点使得它在众多领域展现出巨大的潜力。
单个半导体激光器的输出功率往往难以满足实际应用的需求，激光束组合技术应运而生，为提升激光器的输出功率开辟了新的途径。
大功率半导体激光器合束技术，作为一种将多个激光器的输出组合以实现更高功率激光输出的技术手段，正逐渐成为激光技术领域的研究热点。
该技术不仅能够有效提高激光器的输出功率，而且通过优化合束方式，还可以改善光束质量，使激光束更加稳定、均匀。
在实际应用中，大功率半导体激光器合束技术的应用场景十分广泛。
在金属材料焊接、熔覆、表面硬化等工业领域，高功率、高质量的激光束是实现高效加工的关键。
在医疗领域，大功率半导体激光器合束技术也被广泛应用于激光手术、激光治疗等方面，其高精度、高能量的特点为医疗技术的发展提供了有力支持。
1. 半导体激光器的发展历程与现状半导体激光器，作为一种以半导体材料作为工作物质的激光器，自其诞生以来便以其独特的优势在多个领域展现出广泛的应用前景。
从早期的理论探索到如今的成熟应用，半导体激光器的发展历程可谓是波澜壮阔，且不断推动着激光技术的革新与进步。
半导体激光器的早期研究可追溯至上世纪六十年代，当时科学家们开始对半导体材料的激光发射特性进行深入研究。
随着半导体物理和量子理论的不断发展，人们逐渐认识到半导体材料在激光产生方面的巨大潜力。
到了七十年代，随着制造技术的不断进步，半导体激光器开始实现室温下的连续工作，这为其后续的商业化应用奠定了坚实基础。
进入八十年代，随着光纤通信技术的迅猛发展，长波长、长寿命的半导体激光器成为研究热点。
科学家们通过不断优化材料结构和制造工艺，成功研制出了一系列性能优异的半导体激光器，满足了光纤通信对高速、大容量传输的需求。
量子阱激光器的出现，更是为半导体激光器的性能提升开辟了新的道路。
波分复用实验报告总结(3篇)
第1篇一、实验背景随着信息技术的飞速发展，数据传输的需求日益增长。
光纤通信凭借其高速、大容量、抗干扰能力强等优点，已成为现代通信网络的核心技术。
波分复用（WDM）技术作为光纤通信的重要手段，通过在一根光纤上同时传输多个不同波长的光信号，极大地提高了光纤的传输容量和效率。
本实验旨在通过OptiSystem软件仿真，设计并测试一个四波分复用系统，探讨波分复用技术在实际应用中的性能。
二、实验目的1. 设计一个四波分复用系统，实现不同波长的光信号在光纤中的传输。
2. 利用OptiSystem软件对系统进行仿真，分析系统的性能。
3. 探讨波分复用器和解复用器通道隔离度、光通道功率均衡等对邻近通道串扰的影响。
三、实验原理波分复用技术（WDM）是利用光波长的不同，将多个光信号复用到同一根光纤中进行传输的技术。
在发送端，不同波长的光信号通过波分复用器（MUX）合并，然后送入光纤进行传输。
在接收端，光信号经过解复用器（DEMUX）分离出各个波长的光信号，再经过解调器还原成原始信号。
本实验采用四波分复用系统，波长设置以100GHz为间隔，频率分别为193.0THz、193.1THz、193.2THz、193.3THz，每个波长传输速率为2.5Gbit/s（NRZ）。
系统包括多波长光源、波分复用器、解复用器、常规光纤（100km）、光接收机等。
四、实验步骤1. 设计波分复用系统：在OptiSystem软件中搭建四波分复用系统，设置各波长光源、波分复用器、解复用器等参数。
2. 仿真测试：运行仿真，观察系统性能，包括光信噪比、误码率等指标。
3. 分析实验数据：分析波分复用器和解复用器通道隔离度、光通道功率均衡等对邻近通道串扰的影响。
五、实验结果与分析1. 系统性能分析：通过仿真测试，本实验设计的四波分复用系统在100km光纤传输距离下，光信噪比达到22dB，误码率小于10^-9，满足实际应用需求。
2. 通道隔离度分析：实验结果显示，波分复用器和解复用器的通道隔离度越高，邻近通道串扰越小。
光电实验报告：波分复用系统的设计(Optisystem)
实验名称：WDM 系统设计实验目的：设计一个四波分WDM 光纤传输系统，并利用OptiSystem 仿真测试。
实验要求：1．四波长复用，波长设置以100GHz 为间隔，频率分别为193.0THz、193.1THz、193.2THz、193.3THz，每个波长传输速率为2.5Gbit/s（NRZ）。
系统应包括多波长光源、波分复用器和解复用器、常规光纤（100km）、光接收机等，提供系统设计图。
2．对所设计的WDM 系统进行仿真分析。
3．探讨波分复用器和解复用器通道隔离度、光通道功率均衡等对邻近通道串扰。
实验仪器：光纤、光源、调制器、解调器、光功率计、光谱仪、电脉冲发生器、比特序列信号发生器、电信号示波器、光信号示波器、波分多路复用器、波分解复用器等（注：以上元件全部包含于软件中）以下用了三种方法进行了串扰的测试方法1实验原理及电（光）路图测试结果方法2实验原理及电（光）路图测试数据方法3实验原理及电（光）路图通道信号 1 2 3 41 -16.153 -64.993 -77.023 -84.0652 -64.993 -16.153 -64.993 -77.0233 -77.023 -64.993 -16.153 -64.9934 -84.065 -77.023 -64.993 -16.153信号2为193.1THz信号3 为193.2THz信号4为193.3THz表中数据为当某信号光功率为10dBm，其余信号为-100dBm时，通过各通道后的光功率例如，第一行第一列表示信号1 （光功率为10dBm，其余信号为-100dBm时）通过波分复用后在通道1的接收端测得的光功率，第二行第一列表示信号2（光功率为10dBm，其余信号为-100dBm时）通过波分复用后在通道1的接收端测得的光功率.。
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光纤耦合系统设计
2).光纤的选择
d core 0 2 1/ 2 N . A. BPP98 0 1/ 2 0.9d core N . A. 2
选 N . A. 0.2 有：
BPP 98 45mm mrad
dcore 0.5mm dcore 0.9mm
n1 cos
( N 0,1, 2, )
光纤的特性
2.光纤的分类
1).按芯径折射率分类：
阶跃型和梯度型
2).按传输模式的数量分类：
单模光纤和多模光纤
阶跃型
3).按光纤的材料分类：
石英、卤化物玻璃、有源玻璃、
硫属化合物玻璃和塑料光纤
梯度型
大功率激光传输一般选用石英阶跃型多模光纤
光纤的特性
3.光纤的损耗
望远镜聚焦
光束通过望 远镜聚焦系 统变换
光束半径/mm
望远镜系统 对不同光束 质量的激光 束的聚焦
M 2 :1 120
距透镜距离d2/mm
光纤耦合系统设计
结论：
1. 单透镜聚焦光束腰斑随光束质量变化大。 2. 望远镜聚焦系统，要求 f1>1m，整个装置的调节光路 太长，一方面调节不方便，另一方面易造成光纤耦合
的含义(平板波导)：
一定波长的光束在一定的波导中传播，其电磁场分布可以
表示为：
E E 0 ( x, y)exp[ j(t z)]
其中：
2
2
2 2 2( n n 1 1 2 ) n1a sin tan 1 N 2 2 2 2 n sin 1
表：聚焦透镜 f 值选取，单位mm
20
n
0.6 48 61 72
0.7 56 71 84
0.8 64 81 96
0.9 72 91 108
25.4 30
光纤耦合系统设计
透镜参数选取
Tc
P1: 物方主点 P2: 像方主点 r1: 第一表面曲率半径 r2: 第二表面曲率半径 TC: 透镜中心厚度 TE: 透镜边缘厚度 EFL: 有效焦距
设计耦合透镜为正弯月型
光纤耦合系统设计
耦合透镜焦距选取 原则：落在透镜上光斑的直径为透镜直径的n 倍，则有公式：
laser 0.98 f n
则：
dcore BPPLaser 0.98 dcore f n 2 f 0.225 f laser 0.98 BPPLaser 0.98 2 f f 0.9
报告内容
光纤的特性
激光光纤耦合条件
耦合效率分析 光纤耦合系统设计
光纤的特性
1.光纤的主要参数
1).光纤芯径：
dcore
d
2).数值孔径： N.A.
N . A. sin n12 n2 2
3).传播常数：
n 2 k n1k
n2k
导波模 截止条件
光纤的特性
激光光纤耦合条件
d laser d core
laser 2N.A.
dlaser laser d core N . A. BPP 4 2
耦合效率分析
1.轴向误差
2 sin cos R 2 sin cos d 1 2
coupling effiency
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
角度误差
0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
obliquitious error/ mrad
光纤耦合系统设计
大功率光纤耦合系统必须做到：
1.光束经过聚焦透镜后，其高斯光束的腰斑小于光纤
芯径，光束发散角小于最大接收角。 2.聚焦后的光束腰斑落在光纤端面上，且入射激光光
ƒ1
（b）倒置开普勒望远镜扩束系统
ƒ2 ƒ3
ω0
ω1
d1
l1
l2
d2
扩束光束的聚焦原理图
光纤耦合系统设计
带有倒置望远 镜扩束系统聚焦
光束半径/mm
M 2 :1 120
单透镜聚焦
距透镜距离d2/mm
M = 2, f = 40mm 单透镜和带有倒置望远镜扩束系统的 透镜聚焦效果比较
光纤耦合系统设计
d R arcsin 2d R
2 2 2
arcsin
R sin
?
耦 合 效 率
轴向偏移误差
轴向偏移误差mm
耦合效率分析
2.纵向间隙误差
s
Sf So s tan c
2
R 0.4, 0.32,c 0.2
处体积庞大。
3. 倒置望远镜扩束单透镜聚焦兼顾二者，一方面受光束 质量影响小，另一方面光路较短，便于调节和装配。
选择倒置望远镜扩束单透镜聚焦
光纤耦合系统设计
单透镜(耦合透镜)设计
透镜外形选取
原则：减小透镜球差
对于聚焦透镜常见的4种类型，其球差大小依次为： 双凸型 > 平凸型 > 正弯月型 > 非球面消相差型
束、耦合透镜和光纤三者的光轴必须同轴。
3.尽量减少激光束在耦合透镜表面反射、衍射和散射 损失，以及光纤端面上的反射、散射和吸收损耗。
大功率光纤耦合系统设计：
1.光纤设计 2.聚焦系统设计 3.耦合器结构设计
光纤耦合系统设计
1.光纤设计
1).光束的束宽修正
将包含 98% 能量的的环围圆径作为束宽直径
1
0.9
cpouling effiency
0.8
0.7
0.6
0.5
纵向间隙误差
0.4 0
0.5
1
1.5
2
upright error/ mm
耦合效率分析
3.角度误差
n2 2 exp
1.0 0.9
R 0.4, 0.32, n2 1.45, 1.064 103
BPP 98 75mm mrad
光纤耦合系统设计
2. 聚焦系统设计
激光束通过 ABCD 矩阵束腰的变化
光纤耦合系统设计
问题：大功率 Nd:YAG 输出光束随着激光功率的增大，
激光光束质量变差，即 BPP 值变大。如何保证聚焦在光 纤端面的激光光斑大小和发散角受激光功率的影响最小？
注意：大功率 YAG 激光器一般为平平腔，出射端光束
f = 60，n = 1.4585
TC 9.84 19.5 2.05 19.00 3.00 10.75 5.85 12.64 4.40 10.34 6.45 11.50
140
120 105 90 75 60
光纤耦合系统设计
r2 r1 26.5 27 25.5 26.0 24.5 25.0 24.0 24.5 23.0 23.5 21.5 22.0
束腰位置和半径变化甚小，发散角随光束质量变化较大。Fra bibliotek聚焦系统：
1).单透镜聚焦
2).倒置望远镜扩束单透镜聚焦 3).望远镜聚焦
光纤耦合系统设计
单透镜聚焦
激光束通过单透镜变换
光束半径/mm
M 2 :1 120
距透镜距离d2/mm
f = 40 mm
光纤耦合系统设计
倒置望远镜扩束单透镜聚焦
（a）倒置伽利略望远镜扩束系统
f = 70，n = 1.4585
TC 6.66 15.20 2.60 10.22 2.65 9.20 4.14 10.20 5.57 10.86 5.38 9.95
140
120 105 90 75 60
光纤耦合系统设计
3. 耦合器结构设计
进水 出水 进水 出水
光纤耦合系统设计
谢谢各位老师！
1).光纤的材料损耗
本征吸收：SO2 有4个吸收峰 0.16、9.1、12.5、21um 瑞利散射：光纤微观折射率不均匀
有害杂质吸收：过渡金属和OH根
2).光纤的波导损耗
模式损耗: 纤芯和包层的加权值
模耦合损耗：光纤纵向折射率不均匀
弯曲损耗：R有临界值
3).工艺缺陷
微裂纹和气泡等
光纤的特性
4.光纤的制备
EFL
TE
P1
P2 r1
r2
EFL
1 1 (n 1)2 TC 1 (n 1) EFL nr1r2 r1 r2
光纤耦合系统设计
r2 r1 23.5 24.0 22.5 23.5 22.0 22.5 21.5 22.0 20.5 21.0 19.5 20.0