大功率光纤激光器技术及其应用
光纤激光器的特点与应用
光纤激光器的特点与应用光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。
近年来，随着光纤通信系统的极大的应用和发展，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。
光纤激光器在降低阂值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。
它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。
1.光纤激光器工作原理光纤激光器主要由三部分组成:由能产生光子的增益介质、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和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。
光纤激光器的基本结构如图1所示。
掺稀土元素的光纤放大器推动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。
当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。
反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。
从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。
激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量。
光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。
例如掺饵光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。
激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。
光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。
三能级和四能级的激光原理如图2所示，泵浦(短波长高能光子)使电子从基态跃迁到高能态E4或者E3，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E3 2，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E扩或者E3，时，就会出现激光的过程。
光纤激光器的应用与发展前景
光纤激光器的应用与发展前景1962年界上第一个半导体激光器问世以来，激光器已经有四十余年历史的发展。
早期对激光器的研究主要集中在短脉冲输出和扩展可调谐波长范围方面。
为了适应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首先证明了掺铒光纤放大器的可行性。
如今其已在光纤通信中占有了重要地位。
当今，随着光纤通信系统的发展和广泛应用，超快速光电子学，非线性光学，光传感等各种领域的应用研究，得到前所未有的蓬勃发展。
由于光纤激光器具有在光束质量上和转换效率上的绝对优势以及其完全无需维护且体积小、稳定性高等特点，已成为第三代激光技术的代表。
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。
1．光纤激光器的种类光纤激光器的种类有很多，按掺杂种类划分有掺铒(Er)、掺钕(Nd)、掺镨(Pr)、掺钬(Ho)、掺镱(Yb)、掺铥(Tm)等。
其基本原理是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀有元素，通过直流光激励，使光信号得到放大。
掺铒光纤激光器简称EDFL(Erbium Doped FiberLaser)，是在掺铒光纤放大器(EDFA) 的技术基础上发展起来的。
EDFL利用光纤成栅技术把掺铒光纤相隔一定长度的两处写入光栅，两光栅之间相当于一个谐振腔，用泵浦激光激发，铒离子产生增益放大。
在光栅的选频作用下，谐振腔反馈某一特定波长的光，从而输出单频激光，再经过光隔离器即能输出线宽窄，功率高和噪声低的激光。
EDFL的增益介质是EDF,利用掺铒光纤具有的非线性效应，输入泵浦光，使铒原子的电子能级升高。
当发生高能级向低能级的跃迁时，向外辐射出光子。
当输入光信号时，辐射光的相位和波长会自发与信号光传输一致这样在输出端就可以得到功率较强的光信号，实现光信号放大。
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。
激光技术及其在通信领域各种应用
激光技术及其在通信领域各种应用激光技术是一种利用激光辐射产生的高度聚焦、单色、相干和高度定向的光束进行研究和应用的科学技术。
自激光技术的诞生以来，它已经在许多领域中得到广泛应用，尤其是在通信领域。
首先，激光技术在通信领域的应用之一是光纤通信。
光纤通信是一种利用光纤传输光信号的通信方式，而光纤作为一种优质的传输介质，其带宽高、传输距离远、抗干扰能力强等特点使得激光技术在其中发挥了重要作用。
激光光源可以产生高功率、高效率的光信号，通过光纤传输可以实现远距离的通信，并且由于激光束的定向性，可以实现多路复用和频分多址技术，提高通信系统的容量和效率。
其次，激光技术在通信领域的应用还包括激光雷达。
激光雷达是利用激光束进行测距、测速和成像的一种远距离检测技术。
相比于传统的雷达技术，激光雷达由于激光束的单色性和相干性，可以提供更高精度的测量结果，能够在远距离条件下实现高分辨率的三维成像，因此在航空、水下、地面等领域得到广泛应用。
激光雷达可以实现对目标的精确定位和距离测量，使得交通运输、环境监测、军事防御等领域的监测和控制更加精确和高效。
此外，激光技术在通信领域的应用还包括激光印刷。
激光印刷是一种利用激光束进行高分辨率、高速度的印刷技术。
相比于传统的印刷技术，激光印刷具有更高的解析度和更快的印刷速度，可以实现更精细、更快速的印刷效果，并且可以实现变量数据印刷，满足个性化需求。
激光印刷在出版、广告、包装等领域得到广泛应用，提高了印刷品的质量和效率。
最后，激光技术在通信领域还有其他各种应用，例如激光交互技术、激光显示技术、激光传感技术等。
激光交互技术可以通过激光束进行远程交互操作，实现触摸屏幕的功能；激光显示技术可以通过激光光源实现高亮度、高对比度的显示效果；激光传感技术可以通过激光束实现高精度的测量和检测。
总的来说，激光技术在通信领域的应用是多样且广泛的，它的高度聚焦、单色、相干和高度定向的特点使得其在光纤通信、激光雷达、激光印刷等方面发挥了重要作用。
fp激光器应用场景
fp激光器应用场景光纤激光器，或称FP激光器，由于其高效率、高稳定性、长寿命和光束质量高等优点，在许多领域都有广泛的应用。
以下是FP激光器在不同领域的主要应用场景。
一、通信领域光纤激光器在通信领域的应用主要基于其光束质量好、调制速度高、传输距离远等特性。
在光纤通信网络中，FP激光器作为光源，用于生成光信号，通过光纤进行高速、大容量的数据传输。
此外，光纤激光器还在光通信系统的光放大、光复用、光解复用等方面发挥关键作用。
二、科学研究在科学研究中，光纤激光器作为一种强大的工具，可用于各种高精度、高效率的实验。
例如，在物理、化学、生物学等领域，光纤激光器被用于产生超短脉冲、超强光场、单光子等特殊光束，用于研究物质的基本性质和行为。
此外，光纤激光器还在光谱分析、光学成像等领域有广泛应用。
三、工业制造在工业制造中，光纤激光器主要用于激光切割、激光焊接、激光打标等工艺。
由于其高能量密度和良好的光束质量，光纤激光器能够实现高效、高质量的加工，同时减少材料热损伤和加工后的变形。
在汽车、电子、航空航天等行业中，光纤激光器的应用极大地提高了生产效率和产品质量。
四、医疗保健光纤激光器在医疗保健领域的应用主要涉及激光治疗、生物组织标记与成像等方面。
通过特定波长的激光照射，光纤激光器可用于治疗各种皮肤疾病、眼科疾病等。
同时，利用激光的独特性质，还可以进行生物组织的标记与成像，用于诊断疾病和研究生物组织结构。
五、军事应用在军事领域，光纤激光器可用于激光雷达、激光制导、激光通信等方面。
通过发射特定波长的激光，光纤激光器可用于目标探测与识别、武器制导和通信加密等任务。
此外，光纤激光器还可用于制造高能激光武器，提高军事防御和攻击能力。
六、环境监测光纤激光器在环境监测中主要用于气体分析和光谱分析。
通过测量气体分子对特定波长激光的吸收光谱，可实现对大气中污染气体浓度的高精度测量。
同时，光纤激光器还可用于水体质量监测、土壤成分分析等领域，为环境保护和治理提供重要技术支持。
高功率激光光纤远距离传输及光电转换技术
技术成本高：目前，高功率激光光纤远距离传输技术的设备和技术成本较高，需要进一步降 低成本才能广泛应用。
维护难度大：由于涉及精密的设备和技术的应用，高功率激光光纤远距离传输系统的维护难 度较大。
高功率激光光纤远距离传输及光电转换技术的应用领域与 拓展方向
应用领域
通信网络：高功率激光光纤远距离传输技术是现代通信网络的核心技术之一，广泛应用于电信、移动通 信、互联网等领域。
对光电转换系统的性能进行测试，主要包括光功率传 输测试、光信号质量测试、光电转换效率测试等。
光电转换实验结果分析与讨论
实验结果
通过实验测试，得到不同条件下的光电转换效率、光信号 质量等数据。
结果分析
根据实验数据，对光电转换系统的性能进行分析，主要包 括光功率传输距离、光信号质量对光电转换效率的影响等 。
高功率激光光纤远 距离传输及光电转 换技术
2023-11-08
目 录
• 引言 • 高功率激光光纤远距离传输技术 • 光电转换技术 • 高功率激光光纤远距离传输实验及结果分析
目 录
• 光电转换实验及结果分析 • 高功率激光光纤远距离传输及光电转换技术的
前景与应用 • 参考文献
01
引言
研究背景与意义
高功率激光光纤传输系统的设计
系统组成
高功率激光光纤传输系统 通常由高功率激光源、光 纤放大器、光调制器、光 检测器等组成。
传输速率与距离
传输速率和距离是高功率 激光光纤传输系统的两个 关键指标，需要通过优化 设计提高传输性能。
可靠性及稳性
高功率激光光纤传输系统 需要具备高可靠性和稳定 性，以确保长时间的正常 运行。
抗干扰性强：由于光纤的特殊材料和结构，使其对外部环境的干扰具有很高的抵抗 性，保证了数据传输的稳定性和可靠性。
光纤激光器的应用与优化
光纤激光器的应用与优化激光技术是一种高度发展和应用广泛的技术，在现代科学和工业领域中扮演着至关重要的角色。
而其中，光纤激光器作为激光技术中的一种关键设备，其应用与优化是当前研究的热点之一。
在本文中，我们将探讨光纤激光器的应用领域以及如何优化其性能。
首先，光纤激光器在通信领域有着广泛的应用。
由于其具有高度方向性、单色性好、能量密度大等特点，因此被广泛用于光纤通信系统中。
光纤激光器能够产生高质量的激光光束，通过光纤传输，实现数据的高速传输和远距离传输。
其应用于长距离光纤通信中，具有信号传输速度快、抗干扰性强等优点，使得它成为了现代通信技术的核心设备之一。
其次，光纤激光器在医学领域也有着广泛的应用。
例如，它可以被用来进行切割、焊接和瞬时消融疾病组织等手术操作。
相比传统的手术方式，光纤激光器具有创伤小、恢复快的优势，能够大大降低患者的痛苦和手术风险。
同时，光纤激光器具有高度精确和可控制性，能够准确切割组织或激活药物，极大地提高了手术的成功率。
因此，光纤激光器在医疗领域的应用前景非常广阔。
除此之外，光纤激光器还被应用于材料加工领域。
由于它能够提供高能量的激光束，可以在短时间内对材料进行加热和熔化，从而实现材料的切割、打孔、焊接等加工工艺。
相比传统机械方法，光纤激光器具有加工速度快、加工效果好、能耗低等优点，极大地提高了材料加工的效率和质量。
因此，光纤激光器在汽车制造、电子工业等领域中得到了广泛应用。
然而，要实现光纤激光器的最佳性能，我们需要优化其工作参数。
首先，激光器的输出功率对其工作效能具有重要影响。
通过调整激光器的注入电流、泵浦光功率和光纤的长度等参数，可以实现输出功率的增加或减小。
其次，激光器的谐振腔的设计也是一个关键问题。
合理设计腔体结构和镜面反射率，可以提高激光器的光斑质量、增大光纤激光器的效应体积，并减小光纤损耗。
此外，光纤材料的选择和光纤的纤芯直径也对激光器的性能有着重要影响。
通过优化这些参数，可以提高光纤激光器的功率输出效率、光束质量和稳定性。
高功率光纤激光器及其散热技术
三.高功率光纤激光器的常用散热技术
喷雾冷却
喷雾冷却是将冷却介质雾化后直接喷射到发热物体表面通过 液膜蒸发、强迫对流、核态沸腾和“二次成核”等机理带走热 量的一种冷却方式。
中国科学技术大学，王亚青等，Spray公司的TG0.3机械雾化 圆锥实心喷嘴，对大功率激光器的散热实验结果：
光纤激光器的工作原理 3.光纤激光模块的构成（以IPG公司YLR-6000为例）
大功率多模LD
激光输出
全光纤设计 并联单芯节二极管激光模块组合 侧面、并行、双向泵浦技术
光纤激光器的工作原理 4.千瓦、万瓦级功率的实现——光纤合束
二.高功率光纤激光器发热机理分析
1.光纤激光器热源
电源：大功率电源发热
高功率光纤激光器及其散热技术
报告提纲
光纤激光器的工作原理 高功率光纤激光器发热机理分析
高功率光纤激光器的常用散热技术
一.光纤激光器的工作原理
LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 即“受激辐射光放大”。
增益介质 —掺杂光纤（ Er3+、 Nd3+ 、 Tm3+、 Yb3+ ）
到冷凝器放热冷凝成液体，借助取热器微槽群的毛细力和液体重
力回流到与大功率电力电子器件紧贴的取热器，从而实现无外加
动力的闭式散热循环。
超导热能力：导热系数大于 106 W/(m·℃)，铜为400 W/(m·℃)
冷却能力超强：取热热流密度 可达400W/cm2
无功耗冷却：被动式冷却，无冷 却能耗
三.高功率光纤激光器的常用散热技术
光纤激光器原理及其应用
光纤激光器原理及其应用耿文学，耿京(北京交通大学，北京100081)1光纤激光器的出现与工作原理1870年代人们通过观察酒桶中流出的酒水能把灯光弯弯曲曲地传输，悟出了光线能在芯部折算率高外层折算率低的透明介质中弯曲传输的道理，用石英或玻璃做出了光导纤维，用于胃镜等。
但长 距离的应用受到了透明度的限制。
1966年33岁的 中国电气工程师高锟(1933-)提出了减少材料中的 杂质就能提高透明度，看似雕虫小技，但使光纤应 用迅速开展。
高锟获得2009年诺贝尔奖。
上世纪五十年代就有不只一个国家的科学家 提出了激光器的预言，1960年6月美国休斯公司 33 岁的梅曼 T.H.maiman(1927-2007)做出了第一台 激光器。
输出的光，像整齐排列的队伍（普通光是自 激辐射，激光是受激辐射）单色性纯、亮度高、方向 准。
受到重视，1980年5月第一次国际激光大会在 北京召开。
邓小平接见了与会人员。
1961年美国光 学公司的E.Snitzer就提出了光纤激光器的设想，近年来光纤激光器面市了，它阈值低、增益高、散热 好，受到欢迎。
目前输出功率从10W到100kW以上。
作为工业应用，现已成为输出功率最高的激光 器。
应用领域正在迅速扩大。
传统的固体激光器一样。
光纤激光器也是由泵 浦源、增益介质、谐振腔三个基本部分组成。
泵浦源 一般采用高功率发光二极管，增益介质是搀有钕 (Nd)等稀土元素的光纤，光纤两端的反射镜就做成 了谐振腔。
双色镜聚焦准直图1光纤激光器的基本结构示意图2 光纤激光器的应用2.1光纤激光器在工业方面的应用光纤激光器其结构紧凑、光转换效率高、预热 时间短、受环境影响小、容易维护，组合方便。
可用 于激光打标、激光焊接、激光切割等。
由于光纤激 光器具有较高的光束质量和定位精度，在打标系统 中正取代效率不高的二氧化碳激光器和氙灯泵浦 的Nd:YAG激光器。
仅在日本，每月的需求量就超 过百台。
我国对光纤激光打标机的需求每年超过上 千台。
光纤激光器的原理与应用
光纤激光器的原理与应用激光器是一种产生具有高相干性、窄谱线宽、高亮度和方向性良好的光束的器件。
其中，光纤激光器是一种以光纤为增益介质的激光器，其令人惊叹的稳定性、高效率和小尺寸使其在许多应用领域中发挥着越来越重要的作用。
一、光纤激光器的原理为了理解光纤激光器的原理，首先需要知道激光器是如何产生光束的。
激光器工作时，精心设计的激活剂被加入至玻璃管中，然后通电。
激活剂的状态变化会在一个非常短的时间内释放能量，这种能量可用于激发带电粒子，进而导致原子的激发，最终导致受激辐射产生激光。
在光纤激光器中，增益介质不是用玻璃管装载的气体或晶体，而是用光纤做增益介质。
增益介质在通过激光器过程中会发生受激辐射，在辐射过程中会释放能量，这个能量过量的爆发会使光纤内的电子获得激发，进而导致原子的激发以及光纤材料的激发。
这个过程引发了特定波长和相干性的光线的产生，同时这个光线通过光纤中的反射，最终得到滤除激光调谐腔产生激光输出。
二、不同类型的光纤激光器其中，光纤激光器可以根据激发方式和放大机制进行分类。
激发方式的不同可能导致在不同领域中的应用范围差异。
放大机制的不同可能会导致不同输出功率和效率的激光器。
1. 纳秒脉冲激光器典型的例子是Nd：YAG（钕掺杂氧化铝）激光器，它通过大于1纳秒的脉冲激光器产生激光。
这样的激光器可以产生非常高的峰值功率，但输出持续时间短。
2. 二极管泵浦激光器二极管泵浦激光器是一种高效激光器，通常用于做纤维光通信。
3. 光纤增益器光纤增益器通过扩展单束光线来实现放大，而无需在激光器中产生光线。
光纤放大器被广泛用于无线电遥控器实验、相关制备和光通信中。
三、光纤激光器的应用1. 通信系统光纤激光器是制造光通信系统所必需的核心设备。
光纤激光器对于高反射和光衰减可以进行优化，对于高速数据和光纤隔离能力也有显著优势。
2. 材料加工光纤激光器在放大器和眼镜品质点焊上是最广泛应用的激光器。
其高速斩割速度和卓越质量使其在快速减薄、包装和切割方面成为重要工具。
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的构想 , 但直到 20 世纪 80 年代, 随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层结构光纤的提出 , 光纤激光 现于世第 21 卷 第 6 期 山 东 科 学 Vol. 21 No. 6 2008 年 12 月 SHANDONG SCIENCE Dec. 2008文章编号: 1002 4026( 2008) 06 0072 06大功率光纤激光器技术及其应用 宋志强( 山东省 科学院激光研究所, 山东 济南 250014)摘要: 光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最炙手可热的研究课题, 尤其是大功率光纤激光器, 已在很多领域表现 出取代传统 固体激光 器和 CO 2 激光器 的趋势。
本文 从光纤激 光器的结构 出发, 详细论述 了大功率光纤激光器的工作原理和关键技术, 重点介绍了应用更为广泛 的脉冲型 光纤激光器 技术, 最后简单 列举了大功率光纤激光器的优势及其在工业加工、国防、医疗等领 域里的应用情况。
关键词: 光纤激光器; 包层泵浦技术; 双包层掺杂光纤; 光纤光栅; 应用中图分类号: TN249 文献标识码: A The Development of High Power Fiber Laser and Its ApplicationsSONG Zhi qiang( Institute of Laser , Shandong Academy of Sciences , Jinan 250014, China )Abstract: The technology of fiber lasers is one of research focuses topics in current optoelectronic area,especially for a high power fiber opt ic laser that has exhibited a tendency substituting traditional solidstate laser and CO 2 laser in many areas. We fully expound its principles and some key technologies fromits structure, emphasize the technology of a pulse fiber optic laser that is more widely applied, andenumerate its superiorit ies and applications in such areas industrial processing, national defense, medicalservice, etc.Key words: fiber optic laser; cladding pump; double clad rare earth doped fiber; fiber Bragg grating;application所谓光纤激光器就是利用稀土掺杂光纤作为增益介质的激光器, 它的发展历史几乎和激光器技术一样长。
早在 20 世纪 60 年代初, 美国光学公司的 E. Snitzer 等人就已经提出了掺稀土元素光纤激光器和放大器 [ 1][ 2]器才进入了一个蓬勃发展的阶段。
最近十年, 适合各种不同应用目的和领域的光纤激光器已雨后春笋般涌 [ 3- 5] 。
1 工作原理及关键技术同其他类型激光器一样, 光纤激光器主要由泵浦源、谐振腔和增益介质三要素构成, 具体包括泵浦 LD 、 DCDF 、大模场 FBG 和光纤合束器等, 如图 1 所示。
光纤激光器的所有器件均可由光纤介质制作, 因此光纤技 术是决定光纤激光器性能的关键因素。
收稿日期: 2008 08 23基金项目: 山东省仪器设备改造项目资助( 2007GG1TC04039) 。
作者简介: 宋志强( 1982- ) , 男, 硕士, 主要研究方向为大功率光纤激光器技术。
E mail: zhiqiangs@ gmail. com纤 。
这种光纤能更有效的提高泵浦光吸收系出功率, 尤其是在脉冲光纤激光器中得到了体现 。
另外, 光子晶体光纤( PCF)第 6 期 特种光纤技术1. 1 宋志强: 大功率光 纤激光器技术及其应用 图 1-14大功率全光纤激光器结构原理图 73 起初, 光纤激光器采用直径小于 10 m 的掺杂纤芯作为激光和泵浦光的共同波导, 由于 LD 泵浦光只能 从面积极小的端面进入纤芯且只能采用单模 LD 泵浦, 导致泵浦耦合效率很低, 光纤激光器输出功率不高, 限制了其应用。
1988 年, E. Snitzer 等人提出了基于包层泵浦技术的双包层结构光纤使得这一问题得到解决。
双包层光纤结构如图 2 所示, 它是在单包层光纤的基础上围绕掺杂纤芯增加了一个内包层作为泵浦光的传输波导, 多模泵浦光可在内包层中传输并不断穿越纤芯而被其中的掺杂离子吸收, 而产生的激光仍由纤芯波导传输以保证其高光束质量。
双包层光纤的内包层直径一般在 40~ 500 m, NA 一般在0. 2~ 0. 5 之间, 用以传输大功率多模泵浦光; 掺杂纤芯直径一般在 5~50 m, NA 在 0. 05~ 0. 22 之间, 对于具有大模场面积图 2 双包层掺杂光纤结构原理图的双包层光纤, 虽然理论上其纤芯支持多种模式, 但可以通过弯曲损耗等方法使其输出单模激光。
由于内包层有较大的截面积和数值孔径, 可容许千瓦级多模半 导体泵浦激光进入其中, 从而大大提高了光纤激光器的单模输出功率。
纤芯的掺杂浓度以获得高泵浦吸收, 避免浓度淬灭效应和热学问题, 降低背景损耗为标准。
另外, 由于光纤结构的旋转对称性, 双包层掺杂光纤对泵浦光的吸收效率很低。
为了打破泵浦光在内包 层中的旋转对称性, 常用的方法是采用矩形、方形、梅花形、多边形、D 形以及偏心结构等内包层结构, 见图3。
圆形内包层结构的双包层光纤易于制备和熔接, 但对泵浦光的吸收效率最低。
偏心结构以及矩形等非圆 形内包层结构的双包层光纤对泵浦光的吸收效率很高, 但与常规光纤的熔接很困难。
而多边形和 D 形内包 层结构的光纤不仅对泵浦光有很高的吸收效率, 而且易于与其他光纤低损耗熔接。
近来, 人们不断提出了几种更先进结构的特种光纤。
英国 Southampton 大学的光电子研究中心提 出了一 种螺旋 状纤 芯结构 的双包 层光[ 6] 数, 并且螺旋状结构的纤 芯能有效的抑制大尺 图 3 常见的几种内包层结构示意图 寸纤芯中高阶模的产生。
多纤芯结构双包层光纤相对于单芯双包层光纤在保证单模输出的情况下提高了输[ 7] [ 8]凭借其独特的结构, 具有很 多优点, 如: 可以设计成具有大的数值孔径( 最高达 0. 9) , 对激光器的泵浦非常有利; 模场面积根据需要设计 的自由度相当大, 并保持单模, 用大模场面积 PCF 可以研制高功率激光器, 而小模场面积 PCF 可以获得低阈 值激光器; 独特的色散特性零色散点可推移至可见光波段, 使它具有制造可见波段全光纤孤子激光器的 潜力; 具有非常高的非线性, 可以进行拉曼激光器与放大器的研制。
1. 2 泵浦耦合技术简单来说, 泵浦耦合技术就是如何高效率的将泵浦光耦合到双包层掺杂光纤的内包层中去。
为此, 人们案 统 ; ( 2) 采用在光纤端面制作成微透镜的耦合系统74 山 东 科 学2008 年提出了很多泵浦光和双包层光纤之间的耦合方法, 常见的有采用准直聚焦透镜组整形的端面泵浦耦合, 采用 V 形槽、内嵌反射镜、光纤侧面熔接等方案的侧面泵浦耦合, 但分立的端面泵浦和侧面泵浦耦合方案在稳定 性和操作性上均有很大的缺陷。
从大功率光纤激光器的发展趋势来看, 要求泵浦耦合器件在将泵浦光耦合 到内包层的同时, 尽量不影响和损害双包层光纤的纤芯, 因为只有这样才能在不影响激光的产生和传输的情 况下实现级联泵浦和超大功率的输出。
目前国际上采用较多的实用化方案是将多个 LD通过尾纤合并到单根匹配光纤输出, 来获得高功率的泵浦光, 再通过与掺 杂光纤熔 接对其进 行泵浦。
ITF公司率先研制出一种高耦合效率的, 适合大功率下工作的光纤合束器 [ 9] , 其结构见图 4。
由于 7 根和 19 根光纤在合并熔融拉锥后的截面更接近于圆形, 因此光纤合束器大多是采用 7 1 或 19 1 的结构。
由于光 图 4 光纤合束器结构示意图 纤合束器是由光纤介质制作, 很容易和其它光纤器件无缝连接, 因此这种泵浦方法可制成体积小、重量轻、结 构坚固、稳定性能好的大功率全光纤激光器。
1. 3 FBG 刻写技术FBG 是一种刻写在光纤纤芯中的 Bragg 光栅, 它能够把前向传输的纤芯模式能量耦合给后向传输的纤 芯模式, 形成在谐振波长附近一定带宽的能量反射。
FBG 可达到较高的反射率( 100% ) 和较窄的反射带宽 ( 0. 1 nm) , 作为光纤激光器的谐振腔腔镜, 可使激光器具有更紧凑的结构和更高的稳定性。
由于 FBG 本身 就是由光纤制作而成, 因此在光纤激光器的全光纤化设计中具有明显的优势, 是作为大功率双包层光纤激光 器腔镜的最佳选择。
1989 年, Gerry Melted 首次提出采用两束波长位于掺 Ge 石英光纤吸收带内的紫外激光相干涉, 从光纤侧 面写入了一种永久的折射率呈周期性分布的 FBG 0]。
经过几十年的不断发展, 目前光纤光栅的制作方法多 种多样。
采用适当的光纤增敏技术、不同的成栅方法并结合使用合适光源, 几乎可以在各种类型的光纤上刻 写出光栅。
制作应用于 全光纤化 高功率光 纤激光器 的 FBG, 紫外曝 光相位掩 模法是相 对可行的 技术方 。
关键问题在于光敏双包层光纤的获得, 载氢方法虽然可行, 但要实现光纤光栅的高稳定性, 许多工艺 还需要进一步摸索。
近年来研究的一个新领域是用飞秒脉冲激光器作为成栅光源 , 利用该光源并结合全 息干涉法、相位掩模法及点点写入法可以制作高质量的光纤光栅, 且光栅温度耐受性好, 适合用作高功率光 纤激光器的腔镜。
飞秒激光写入光栅法与紫外曝光法相比有许多优点, 因此在光纤激光器的腔镜应用上有 很大的发展潜力。
1. 4 LD 光纤耦合技术大功率光纤激光器一般采用光纤耦合输出的 LD 作为泵浦源。
LD 的输出光束在垂直于结平面( 快轴) 方 向和平行于结平面( 慢轴) 方向是非对称的, 光参数积相差几百甚至上千倍, 光束质量很不均衡, 这样的光束 不可能通过传统的成像光学系统聚焦成对称的小光斑耦合到光纤中, 必须先采用特殊的光学器件对光束进 行整形, 实现两个方向光束质量的均衡。