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光纖激光器的工作原理及其發(fā)展前景
1 .引言
光纖激光器于1963年發(fā)明，到20世紀80年代末第一批商用光纖激光器面市，經歷了20多年的發(fā)展歷程。光纖激光器被人們視為一種超高速光通信用放大器。光纖激光器技術在高速率大容量波分復用光纖通信系統(tǒng)、高精度光纖傳感技術和大功率激光等方面呈現(xiàn)出廣闊的應用前景和巨大的技術優(yōu)勢。光纖激光器有很多獨特優(yōu)點，比如：激光閾值低、高增益、良好的散熱、可調諧參數(shù)多、寬的吸收和輻射以及與其他光纖設備兼容、體積小等。近年來光纖激光器的輸出功率得到迅速提高。已達到10—100 kW。作為工業(yè)用激光器,現(xiàn)已成為輸出功率最高的激光器。光纖激光器的技術研究受到世界各國的普遍重視，已成為國際學術界的熱門前沿研究課題。其應用領域也已從目前最為成熟的光纖通訊網絡方面迅速地向其他更為廣闊的激光應用領域擴展。
2.光纖激光器的原理
2.1光纖激光器的分類
光纖材料的種類，光纖激光器可分為：（1）晶體光纖激光器。工作物質是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和nd3+：YAG單晶光纖激光器等。
（2)非線性光學型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。 (3)稀土類摻雜光纖激光器。光纖的基質材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，而制成光纖激光器。 (4)塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內摻入激光染料而制成光纖激光器。
2.2光纖激光器的工作原理
光纖激光器的結構 和傳統(tǒng)的固體、氣體激光器一樣。光纖激光器基本也是由泵浦源、增益介質、諧振腔三個基本的要素組成。泵浦源一般采用高功率半導體激光器(LD)，增益介質為稀土摻雜光纖或普通非線性光纖，諧振腔可以由光纖光柵等光學反饋元件構成各種直線型諧振腔，也可以用耦合器構成各種環(huán)形諧振腔泵浦光經適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)耦合進入增益光纖，增益光纖在吸收泵浦光后形成粒子數(shù)反轉或非線性增益并產生自發(fā)輻射所產生的自發(fā)輻射光經受激放大和-諧振腔的選模作用后．最終形成穩(wěn)定激光輸出。
光纖激光器有兩種激射狀態(tài), 一種是三能級激射, 另一種是四能級激射。兩者的差別在于較低能級所處的位置在三能級系統(tǒng)中, 激光下能級即為基態(tài), 或是極靠近基態(tài)的能級。而在四能級系統(tǒng)中, 激光下能級和基態(tài)能級之間仍然存在一個躍遷, 通常為無輻射躍遷。電子從基態(tài)提升到高于激光上能級的一個或多個泵浦帶, 電子一般通過非輻射躍遷到達激光上能級泵浦帶上的電子很快弛豫到壽命長的亞穩(wěn)態(tài), 在亞穩(wěn)態(tài)上積累電子造成電子數(shù)多于激光下能級, 即形成粒子數(shù)反轉。電子以輻射光子的形式放出能量回到基態(tài)這種自發(fā)發(fā)射的光子被光 學諧振腔反饋回增益介質中誘發(fā)受激發(fā)射, 產生與誘發(fā)這一過程的光子性質完
全相同的光子當光子在諧振腔內所獲得的增益大于其在腔內的損耗時, 就會產生激光輸出。理論上四能級光纖激光器的闡值低于三能級系統(tǒng)【1】。
3.光纖激光器的優(yōu)點
光纖激光器作為第三代激光技術的代表，具有以下優(yōu)勢：
（1）玻璃光纖制造成本低、技術成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢；
（2）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配，這是由于玻璃基質Stark 分-裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；
（3）玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以轉換效率較高，激光閾值低
（4）輸出激光波長多：這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多；
（5）可調諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。
（6）由于光纖激光器的諧振腔內無光學鏡片，具有免調節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。
【2】
）勝任惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。
(9）不需熱電制冷和水冷，只需簡單的風冷。
（10）高的電光效率：綜合電光效率高達20%以上，大幅度節(jié)約工作時的耗電，節(jié)約運行成本。
（11）高功率,目前商用化的光纖激光器是六千瓦。
4.光纖激光器的應用
高功率摻鐿光纖激光器（HPFL）與目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半導體泵浦YAG激光器相比，表現(xiàn)出突出的優(yōu)點，特別是電光轉換效率高，光束質量好，泵浦源壽命長，使用方便，環(huán)境適應能力強，空氣冷卻等優(yōu)點，使它在激光應用技術領域中呈現(xiàn)出美好的應用前景。
4.1標刻應用
脈沖光纖激光器以其優(yōu)良的光束質量，可靠性，最長的免維護時間，最高的整體電光轉換效率，脈沖重復頻率，最小的體積，無須水冷的最簡單、最靈活的使用方式，最低的運行費用使其成為在高速、高精度激光標刻方面的唯一選【3】 一套光纖激光打標系統(tǒng)可以由一個或兩個功率為25W的光纖激光器，一個或兩個用來導光到工件上的掃描頭以及一臺控制掃描頭的工業(yè)電腦組成。這種設計比用一個50W激光器分束到兩個掃描頭上的方式高出達4倍以上的效率。該系統(tǒng)最大打標范圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標刻范圍內絕對定位精度是+/-100um。100um工作距離時的聚焦光斑可小到15um。
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4.2材料處理的
光纖激光器的材料處理是基于材料吸收激光能量的部位被加熱的熱處理過程。1um左右波長的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收。
4.3 材料彎曲的應用
光纖激光成型或折曲是一種用于改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術。集中加熱和快速自冷切導致在激光加熱區(qū)域的可塑性變形，永久性改變目標工件的曲率。研究發(fā)現(xiàn)用激光處理的微彎曲遠比其他方式具有更高的精密度，同時，這在微電子制造是一個很理想的方法。
4.4激光切割的應用
隨著光纖激光器的功率不斷攀升，光纖激光器在工業(yè)切割方面得以被規(guī)模化應用。比如：用快速斬波的連續(xù)光纖激光器微切割不銹鋼動脈管。由于它的高光束質量，光纖激光器可以獲得非常小的聚焦直徑和由此帶來的小切縫寬度正在刷新醫(yī)療器件工業(yè)的標準。
5.光纖激光器的發(fā)展前景
未來光纖激光器的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)提高光纖激光器的本身性能：如何提高輸出功率和轉換效率，優(yōu)化光束質量，縮短增益光纖長度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并使其更加小巧緊湊，上述目標將是未來光纖激光器領域研究的重點；【3】(2)新型光纖激光器的研制：在時域方面，具有更小占空比的超短脈沖鎖模光纖激光器一直是激光領域的研究熱點。高功率飛秒量級脈沖光纖激光器一直是人們長期追求的目標，該領域研究的突破不僅可以給光通信時分復用(OTDM)提供理想的光源，而且可以有效帶動激光加工、激光打標及激光加密等相關產業(yè)的發(fā)展；在頻域方面，寬帶輸出并可調諧的光纖激光器將成為研究熱點。近年來，一種采用ZEBLAN材料(zr，Ba，La，Al，Nd)為激光介質的非線性光纖激光器引起了人們的重視。這種激光器具有相當寬的帶寬和低損耗．可實現(xiàn)波長上轉換幾個波段�？梢灶A見，隨著相關技術的完善，光纖激光器將向更廣闊的領域發(fā)展，并有可能成為替代固體激光器和半導體激光器的新一代光源，形成一個新興的產業(yè)。
綜上所述，光纖激光器技術是一個正在得到高度重視和迅速發(fā)展的新型技術研究熱點，所涉及的科學研究和產品應用領域十分廣泛，具有巨大的潛在應用價值和廣闊的市場前景。隨著各種類型光纖激光器技術的逐步成熟和商業(yè)化應用，將對相關領域的發(fā)展產生巨大的推動作用，同時也將引起相關技術領域的深刻變革。
光纖激光器工作原理及發(fā)展2017-04-07 06:55 | #2樓
1 引言
光纖激光器于1963年發(fā)明，到20世紀80年代末第一批商用光纖激光器面市，經歷了20多年的發(fā)展歷程。光纖激光器被人們視為一種超高速光通信用放大器。光纖激光器技術在高速率大容量波分復用光纖通信系統(tǒng)、高精度光纖傳感技術和大功率激光等方面呈現(xiàn)出廣闊的應用前景和巨大的技術優(yōu)勢。光纖激光器有很多獨特優(yōu)點，比如：激光閾值低、高增益、良好的散熱、可調諧參數(shù)多、寬的吸收和輻射以及與其他光纖設備兼容、體積小等。近年來光纖激光器的輸出功率得到迅速提高。已達到10—100 kW。作為工業(yè)用激光器,現(xiàn)已成為輸出功率最高的激光器。光纖激光器的技術研究受到世界各國的普遍重視，已成為國際學術界的熱門前沿研究課題。其應用領域也已從目前最為成熟的光纖通訊網絡方面迅速地向其他更為廣闊的激光應用領域擴展。本文簡要介紹了光纖激光器的結構、工作原理、分類、特點及其研究進展，最后對光纖激光器的發(fā)展前景進行了展望。
2 光纖激光器的結構及工作原理
2.1光纖激光器的結構
和傳統(tǒng)的固體、氣體激光器一樣。光纖激光器基本也是由泵浦源、增益介質、諧振腔三個基本的要素組成。泵浦源一般采用高功率半導體激光器(LD)，增益介質為稀土摻雜光纖或普通非線性光纖，諧振腔可以由光纖光柵等光學反饋元件構成各種直線型諧振腔，也可以用耦合器構成各種環(huán)形諧振腔泵浦光經適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)耦合進入增益光纖，增益光纖在吸收泵浦光后形成粒子數(shù)反轉或非線性增益并產生自發(fā)輻射所產生的自發(fā)輻射光經受激放大和-諧振腔的選模作用后．最終形成穩(wěn)定激光輸出。圖1為典型的光纖激光器的基本構型。
增益介質為摻稀土離子的光纖芯，摻雜光纖夾在2個仔細選擇的反射鏡之間．從而構成F—P諧振器。泵浦光束從第1個反射鏡入射到稀土摻雜光纖中．激射輸出光從第2個反射鏡輸出來。
2.2 光纖激光器的工作原理
摻稀土元素的光纖放大器促進了光纖激光器的發(fā)展，因為光纖放大器可以通過適當?shù)姆答仚C理形成光纖激光器。當泵浦光通過光纖中的稀土離子時．就會被稀土離子所吸收。這時吸收光子能量的稀土原子電子就會激勵到較高激射能級，從而實現(xiàn)離子數(shù)反轉，反轉后的離子數(shù)就會以輻射形式從高能級轉移到基態(tài)，并且釋放出能量，完成受激輻射。從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的輻射方式有2種：自發(fā)輻射和受激輻射。其中，受激輻射是一種同頻率、同相位的輻射，可
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以形成相干性很好的激光。激光發(fā)射是受激輻射遠遠超過自發(fā)輻射的物理過程，為了使這種過程持續(xù)發(fā)生，必須形成離子數(shù)反轉．因此要求參與過程的能級應超過2個，同時還要有泵浦源提供能量。光纖激光器實際上也可以稱為波長轉換器．通過它可以將泵浦波長光轉換為所需的激射波長光。例如，摻鉺光纖激光器將980nm的泵浦光進行泵浦，輸出1550nm的激光。激光的輸出可以是連續(xù)的，也可以是脈沖形式的。激光輸出是連續(xù)的還是脈沖輸出形式主要依賴于激光工作介質．如果是連續(xù)形式輸出，激光上能級的自發(fā)發(fā)射壽命必須高于激光下能級以獲得較高的粒子數(shù)反轉。如果是脈沖形式輸出．激光下能級的壽命就會超過上能級，此時就會以脈沖的形式輸出光纖激光器有2種激射狀態(tài)：三能級和四能級激射。
3 光纖激光器的分類
(1)按增益介質分類 :稀土離子摻雜光纖激光器(Nd3+、Er3+．yb3+、Tm3+等，基質可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單晶)。非線性效應光纖激光器(利用光纖中的SRS、SBS非線性效應產生波長可調諧的激光)。在光纖中摻人不同的稀土離子，并采用適當?shù)谋闷旨夹g，即可獲得不同波段的激光輸出。(2)按諧振腔結構分類:F—P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及”8”字形腔、DBR光纖激光器、DFB光纖激光器(3)按光纖結構分類: 單和雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光器、特種光纖激光器。(4)按輸出激光類型分類: 連續(xù)光纖激光器．超短脈沖光纖激光器、大功率光纖激光器。(5)按輸出波長分類:S一波段(1460～1530 nm)、C一波段(1530～1565 nm)、L一波段(1565～ 1610 nm)。
4 光纖激光器的特點
在激光振蕩中．將能量集中于諧振腔所選的駐波以產生相干光。在光技術中，只有光纖和波導能對光軸方向和橫模方向進行三維�？刂啤Ｔ谝詥文９饫w作增益介質的光纖激光器中無競爭橫模，因此可進行穩(wěn)定的激光振蕩。在由激光引起的熱損傷、受激喇曼散射和受激布里淵散射發(fā)生之前，如果沒有模的競爭，那么只要注入泵浦光，就能增大激光輸出功率。激光的增益和損耗比限制存儲于激光介質中的能量轉換效率。因光纖本身的損耗低，與其他激光器相比，具有超長(5—10 m以上)特征的光纖激光器的增益和損耗比大100倍一1000倍。因此，即使進行�？刂�,也可將存儲能量幾乎無損耗地轉換成激光(光能)。實際上，光纖激光器的輸出功率與泵浦光成正比地線性增大，其轉換效率達到85％。在950 nm波段激勵,在1080 nm波段振蕩的鐿量子效率為88％。由此可知，激光功率幾乎無損耗。例如，芯徑為40 m，長度為10 m，輸出功率為1.36 kW 的單模光纖激光器，其實際激光介質的體積只不過為9 mm。這表明，尺寸為2 mmx2 mm~2．5 mm的微芯片激光器能產生1.36 kW的輸出功率。
圖2 千瓦級光纖激光器的體積與微芯片激光器相同
光纖激光器具有無競爭模、冷卻效率和激光效率較高的優(yōu)異特性。就具有超長增益泵浦和低損耗特性的光纖激光器而言，如果予以泵浦功率，則僅端面反射很容易實現(xiàn)激光振蕩，因此技術開發(fā)的關鍵在于如何注入泵浦光。光纖激光器的供應商美國IPG和SPI公司現(xiàn)已開發(fā)出一種將單條LD進行光纖耦合，然后注入雙包層中第l包層的方式。這是一種以長壽命、高亮度光纖耦合型LD作為基本部件的最佳方式。另外，科研人員還提出了光纖盤形方式，這種方式適用于光纖傳輸光的LD泵浦固體激光元件，該泵浦方式同樣可以滿足放大千瓦以上輸出功率的要求。光纖激光器使用光纖布喇格衍射光柵(FBG)。對石英光纖照射紫外光，寫入調制折射率便形成一維FBG。與普通的衍射光柵相比，這種折射率略差的光柵寫入長度>l cm，幾乎無損耗，可成為選擇多波長的反射鏡。因此，即使組成多級疊加FBG激光諧振腔，也能保持高效率的能量轉換。例如喇曼光纖激光器，通過三級FBG諧振腔在多波長移位的情況下，也能獲得近50％的轉換效率。若將光纖連接到環(huán)上，使雙向傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉以形成動態(tài)衍射光柵�？蒲腥藛T以用于重力波檢測的激光為基礎，成功研制出單頻光纖激光器。Yb光纖激光器具有準三能級的能量結構，所以未被激發(fā)時，略有基態(tài)吸收。左側長為16 m的環(huán)形反射鏡等于因光干涉而形成3 000萬個吸收型衍射光柵，可進行單縱模振蕩，其譜線寬度僅為2 kHz。在單頻T作時，輸出穩(wěn)定性極好，3 h平均穩(wěn)定性僅為0.8％。除以純模振蕩的光纖激光器達不到這種穩(wěn)定性外，已商品化的光纖激光器的穩(wěn)定性為2％。利用光纖熔接技術，可通過光纖光學系統(tǒng)將激光全部耦合，這也是其優(yōu)點之一。未來在宇宙空間進行重力波檢測時，這種全光纖窄帶主振動功率放大(MOPA)系統(tǒng)有望發(fā)揮更大作用。 圖3 全光纖窄帶MOPA系統(tǒng)
光纖激光器具有光束質量好和輸出功率穩(wěn)定性高的特點，因此10—100 W級的小型單模光纖激光器在工業(yè)領域的應用價值較高。從理論上解釋，單模光纖發(fā)出的激光應是點光源，如果充分利用光學系統(tǒng)．則可用理論極限的光斑直徑進行微細加工。利用這種高質量光束很容易實現(xiàn)掩模、微細焊接和微細加工等．并可在形狀記憶合金上加工復雜網格制成冠脈支架等。無排斥性的激光器最適于對厚度為0.2 mm的形狀記憶合金細管進行微米級加工。與其他激光器相比，光纖激光器具有外形緊湊體積小、高輸出功率穩(wěn)定、不需水冷、綜合激光效率高達20％一25％,且可用墻壁電等特點�？梢哉J為．光纖激光器是一種激光輸出極其方便的激光器。 5 光纖激光器的發(fā)展前景
光纖激光器以光纖作為波導介質，耦合效率高，易形成高功率密度，散熱效果好，無需龐大的制冷系統(tǒng)，具有高轉換效率、低閾值、光束質量好和窄線寬等優(yōu)點。光纖激光器通過摻雜不同的稀土離子可實現(xiàn)380—3 900 nm波段范同的激光輸出，通過光纖光柵諧振腔的調節(jié)可實現(xiàn)波長選擇且可調諧。與傳統(tǒng)的固體激光器相比，光纖激光器體積小，壽命長，易于系統(tǒng)集成，在高溫高壓，高震動，高沖擊的惡劣環(huán)境中皆可正常運轉，其輸出光譜具有更高的可調諧性和選擇性醫(yī)療及生物市場的強勁需求驅動了飛秒(超快)激光技術在分析儀器應用方面的快速發(fā)展。人們正在努力對活體細胞、組織以及病毒轉移特質進行實時測量和分析．這些應用對人類攻克癌癥等方面的研究至關重要。超快激光使得在對患者進行快速，非介入性診斷時可以取得實時信息�，F(xiàn)有超快激光的制造技術成本太高，系統(tǒng)的尺寸也非常龐大，這些制約了市場的發(fā)展。光纖激光器的很大一部分應用可以走到超快激光．而且光纖激光器的生產廠商也著重從尺寸小巧方面推薦光纖的應用。生命和健康科學是一個非常強勁的市場．因為那里會永遠不斷地出現(xiàn)新的應用，其中很多是基于激光的應用，并且醫(yī)藥也在不斷尋求改進。激光不再只局限為一種外科手術工具，將會更加廣泛地應用于醫(yī)學診斷(如細胞影像)、藥檢、DNA排序、細胞分類以及蛋白質分析等方面。激光現(xiàn)已廣泛應用于人們前所未聞的領域中。
未來光纖激光器的發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)提高光纖激光器的本身性能：如何提高輸出功率和轉換效率，優(yōu)化光束質量，縮短增益光纖長度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并使其更加小巧緊湊，上述目標將是未來光纖激光器領域研究的重點；(2)新型光纖激光器的研制：在時域方面，具有更小占空比的超短脈沖鎖模光纖激光器一直是激光領域的研究熱點。高功率飛秒量級脈沖光纖激光器一直是人們長期追求的目標，該領域研究的突破不僅可以給光通信時分復用(OTDM)提供理想的光源，而且可以有效帶動激光加工、激光打標及激光加密等相關產業(yè)的發(fā)展；在頻域方面，寬帶輸出并可調諧的光纖激光器將成為研究熱點。近年來，一種采用ZEBLAN材料(zr，Ba，La，Al，Nd)為激光介質的非線性光纖激光器引起了人們的重視。這種激光器具有相當寬的帶寬和低損耗．可實現(xiàn)波長上轉換幾個波段�？梢灶A見，隨著相關技術的完善，光纖激光器將向更廣闊的領域發(fā)展，并有可能成為替代固體激光器和半導體激光器的新一代光源，形成一個新興的產業(yè)。
綜上所述，光纖激光器技術是一個正在得到高度重視和迅速發(fā)展的新型技術研究熱點，所涉及的科學研究和產品應用領域十分廣泛，具有巨大的潛在應用價值和廣闊的市場前景。隨著各種類型光纖激光器技術的逐步成熟和商業(yè)化應用，將對相關領域的發(fā)展產生巨大的推動作用，同時也將引起相關技術領域的深刻變革。
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