光纖激光器的簡單介紹

1、光纖激光器的簡單介紹摘 要：光纖激光器作為目前最為活躍的激光光源器件，它是激光技術(shù)的前沿課 題。簡要介紹了光纖激光器的基本原理、分類及特點，并對光纖激光器技術(shù)的應(yīng) 用作了簡單介紹。關(guān)鍵詞：光纖激光器原理特點應(yīng)用1引言光纖激光器的研究工作最早開始于1961年，由美國光學(xué)公司（American Optical Company）的 E. Snitzer等最先提出。但是由于受到當(dāng)時條件的限制，實 驗工作沒有很大的進展。直到八十年代，用MCVD法成功制成了低損耗的摻鉺 光纖，才為光纖激光器的發(fā)展帶來了新的前景。和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器相比，光 纖激光器具有高增益、斜率效率高、線寬窄、可寬帶調(diào)諧、散熱性能好以

2、及易于 和傳輸光纖耦合等優(yōu)點。因此它在通信、軍事、醫(yī)療和光信息處理等領(lǐng)域都將有 廣闊的應(yīng)用前景，特別是在光通信領(lǐng)域，隨著光波分復(fù)用和光時分復(fù)用技術(shù)的發(fā) 展，光纖激光器將能很好地滿足通信系統(tǒng)對光源的更高要求。2光纖激光器的基本原理、分類及特點2.1光纖激光器的基本原理1目前開發(fā)的光纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)。光纖激光 器工作原理是泵浦光通過反射鏡（或光柵）入射到摻雜光纖中，吸收了光子能 量的稀土離子會發(fā)生能級躍遷，實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，反轉(zhuǎn)后的粒子經(jīng)弛豫后會 以輻射形式再從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，同時將能量以光子形式釋放，通過反射鏡 （或光柵）輸出激光，如圖1所示。2摻雜光纖反射鏡1

3、.（或光柵1） 廠、 反射鏡2（或光柵2）泉浦光1激光輸出i1圖1光纖激光器典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The schematic diagram of typical optical fiber laser摻稀土元素的光纖通常為雙包層光纖（Double Clad Fiber,DCF）。此種光纖結(jié) 構(gòu)如圖2所示，由外包層、內(nèi)包層和摻雜纖芯所構(gòu)成，外包層的折射率小于內(nèi)包 層的折射率，內(nèi)包層的折射率小于纖芯的折射率，從而構(gòu)成雙層的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。摻 雜雙包層光纖是構(gòu)成光纖激光器的關(guān)鍵部件，在光纖激光器中的作用主要是：） 將泵浦光功率轉(zhuǎn)換為激光的工作介質(zhì)；）與其他器件共同構(gòu)成激光諧振腔。其工 作原理主要是

4、：將泵浦光通過側(cè)向或端面耦合注入光纖，由于外包層折射率遠低 于光纖的內(nèi)包層，所以內(nèi)包層可以傳輸多模泵浦光。內(nèi)包層的橫截面尺寸大于纖 芯，對于所產(chǎn)生的激光波長，內(nèi)包層與摻稀土離子的纖芯構(gòu)成了完善的單模光波 導(dǎo)，同時它又與外包層構(gòu)成了傳輸泵浦光功率的多模光波導(dǎo)。這樣可以將大功率 多模泵浦光耦合進入內(nèi)包層，多模泵浦光沿光纖傳輸?shù)倪^程中多次穿過纖芯并被 吸收，由于纖芯中稀土離子被激發(fā)，從而產(chǎn)生較大功率信號激光輸出。工作原理 如圖2所示。3滎浦光桐弟圖：！浪包k再北光纖包層iStfili原理Fig. 2 Principle of claddinipumping lor （he 既小瀏 liber wit

5、ti doitilc dudding2.2光纖激光器的分類光纖激光器種類很多，根據(jù)其激射機理、器件結(jié)構(gòu)和輸出激光特性的不同可 以有多種不同的分類方式。根據(jù)目前光纖激光器技術(shù)的發(fā)展情況，其分類方式 和相應(yīng)的激光器類型主要有以下幾種：（1） 按增益介質(zhì)分類 稀土離子摻雜光纖激光器（Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等， 基質(zhì)可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單品），非線性效應(yīng)光纖激光器（利用光纖 中的SRS、SBS非線性效應(yīng)產(chǎn)生波長可調(diào)諧的激光）。在光纖中摻入不同的稀土 離子，并采用適當(dāng)?shù)谋闷旨夹g(shù)，即可獲得不同波段的激光輸出。（2） 按諧振腔結(jié)構(gòu)分類F- P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及8字

6、形腔、DBR光纖激光器、DFB光纖激光器。（3） 按光纖結(jié)構(gòu)分類單和雙包層光纖激光器、光子品體光纖激光器、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-波段（14601530 nm）、C-波段（15301565 nm）、L-波 段（15651610 nm），可調(diào)諧單波長激光器，可調(diào)諧多波長激光器。2.3光纖激光器的顯著特點由于光纖激光器在增益介質(zhì)和器件結(jié)構(gòu)等方面的特點，與傳統(tǒng)的激光技術(shù)相 比，光纖激光器在很多方面顯示出獨特的優(yōu)點。這些優(yōu)點可以歸納為以下幾個主 要的方面4,5：（1）較高的泵浦效率。通過對摻雜光纖的結(jié)

7、構(gòu)、摻雜濃度和泵浦光強度和泵浦方 式的適當(dāng)設(shè)計，可以使激光器的泵浦效率得到顯著提高。例如采用雙包層光纖結(jié) 構(gòu)，使用低亮度、廉價的多模LD泵浦光源即可實現(xiàn)超過60%的光光轉(zhuǎn)換效率。(2 )易于獲得高光束質(zhì)量的千瓦甚至兆瓦級超大功率激光輸出。光纖激光器表面 積/體積比大，其工作物質(zhì)的熱負荷小，易于散熱和冷卻。(3 )易實現(xiàn)單模、單頻運轉(zhuǎn)和超短脈沖(fs級)。(4 )工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，使得激光器的腔結(jié)構(gòu)設(shè)計、整機封裝和使用均十分 方便。(5 )激光器可在很寬光譜范圍內(nèi)(4553500nm)設(shè)計與運行，應(yīng)用范圍廣泛。(6 )與現(xiàn)有通信光纖匹配，易于耦合，可方便地應(yīng)用于光纖通信和傳感系統(tǒng)。上述特點使得

8、光纖激光器在很多應(yīng)用領(lǐng)域與傳統(tǒng)的固體或氣體激光器相比 顯示出明顯的獨特優(yōu)勢。63光纖激光器的應(yīng)用3.1標刻應(yīng)用脈沖光纖激光器以其優(yōu)良的光束質(zhì)量，可靠性，最長的免維護時間，最高的 整體電光轉(zhuǎn)換效率，脈沖重復(fù)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擇。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(dǎo)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(shè) 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

9、刻范圍內(nèi)絕對 定位精度是+/-100um。100um工作距離時的聚焦光斑可小到15um。3.2材料處理的應(yīng)用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。3.3材料彎曲的應(yīng)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(shù)。集中加熱 和快速自冷切導(dǎo)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。3.4激光切割的應(yīng)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(yīng)用。比如：用快速

10、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(zhì)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。由于其波段涵蓋了 1.3p m和1.5p m兩個主要通信窗口，因此光纖激光器在 光通信領(lǐng)域擁有不可替代的地位，大功率雙包層光纖激光器的研制成功使其在激 光加工領(lǐng)域的市場需求也呈迅速擴展的趨勢。光纖激光器在激光加工領(lǐng)域的范圍和所需性能具體如下：軟焊和燒結(jié)：50 -500W；聚合物和復(fù)合材料切割：200W1kW；去激活：300W1kW；快速 印刷和打?。?0W1kW；金屬淬火和涂敷：2 20kW；玻璃和硅切割：500 W 2kW。此外，隨著紫外光纖光柵

11、寫入和包層泵浦技術(shù)的發(fā)展，輸出波段在紫光、 藍光、綠光、紅光及近紅外光的波長上轉(zhuǎn)換光纖激光器已可以作為實用的全固化 光源而廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲，彩色顯示，醫(yī)學(xué)熒光診斷。遠紅外波長輸出的光纖 激光器由于其結(jié)構(gòu)靈巧緊湊，能量和波長可調(diào)諧等優(yōu)點，也在激光醫(yī)療和生物工 程等領(lǐng)域得到應(yīng)用。4展望光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有其他激光器無可比擬的技術(shù)優(yōu) 越性。不過，我們認為，在短期內(nèi)，光纖激光器將主要聚焦在高端用途上隨光纖 激光器的普及，成本的降低以及產(chǎn)能的提高，最終將可能會替代掉全球大部分高 功率CO2激光器和絕大部分YAG激光器。參考文獻侯藍田，韓穎.光纖激光器的發(fā)展與應(yīng)用.J 燕山大學(xué)學(xué)報,2011,35(2) :98-100 申人升，張玉書,杜國同.光纖激光器研究進展J.半導(dǎo)體光電,2009,30(1):1-5.Richardson D J,Nilsson J ,Clarkson W A .High power fiber lasers:current status and future perspectives J.Journal of