光纖激光器的原理與結(jié)構(gòu)

1、光纖激光器的原理與結(jié)構(gòu)1光纖激光器發(fā)展歷史1964 世界上第一個(gè)玻璃激光為釹玻璃光纖激光(Appl.Opt.,3.1964.1182）1987 英南安普頓大學(xué)（Elect.Lett.,23.1987.1026）和美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（Opt.Lett.,12.1987.888）用摻Er單模光纖實(shí)現(xiàn)光通訊中的光放大。 1988 年提出泵浦光進(jìn)入包層的思想(Optical Fiber Sensors.,PD5.1988) 1993 長方形內(nèi)包層光纖激光器。光光效率50，功率5W）（Elect.Lett.,29.1993.1500）1999 用4只45W半導(dǎo)體激光泵浦摻鐿雙包層光纖，實(shí)現(xiàn)110W輸出，波長

2、1120nm的激光輸出（ Elect.Lett.,35.1999.1158）2002年 采用雙波長泵浦釹鐿共摻雜的雙包層光纖，獲得150W激光輸出（CLEO,2002）22003年1月Jena的IPHT報(bào)道了其采用雙重涂覆的摻Y(jié)b光纖的200W光纖激光（SPIE，4974）2003年2月Southampton Photonics, Inc.（SPI） 宣布摻Y(jié)b光纖實(shí)現(xiàn)了270 W（1080nm）單模激光輸出2003年5月，IPG公司宣布實(shí)現(xiàn)了300 W 的單模光纖激光2003年7月，SPI公司和英國的南安普墩大學(xué)合作，實(shí)現(xiàn)了600W的光纖激光(M=1.26)2004年1月，SPI在Photo

3、nics West2004上，報(bào)告單根光纖實(shí)現(xiàn)了1千瓦的激光功率輸出。后來又實(shí)現(xiàn)了1.36kW輸出。Opt. Express 12, 6088-6092 (2004)2005年1月, IPG photonics, 2kW (amplifier)2008年1月, IPG photonics, 20 kW (amplifier)3 泵浦用的半導(dǎo)體二極管壽命Khrs.可連續(xù)和脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，空氣冷卻。在焦距mm下光斑直徑m。其性能已明顯優(yōu)于半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器和CO2激光器。從發(fā)展態(tài)勢(shì)看，光纖激光器不僅在光纖通信領(lǐng)域有重要的應(yīng)用而且迅速地向其他更為廣闊的激光應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，這是一類已經(jīng)取得技術(shù)突破，正在

4、向技術(shù)的廣度和深度迅速發(fā)展的、有重要應(yīng)用前景的激光器。 4二、光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)與固體激光器的結(jié)構(gòu)基本相同。諧振腔LD耦合光學(xué)系統(tǒng)工作物質(zhì)(增益光纖)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)諧振腔腔鏡可為反射鏡、光纖光柵或光纖環(huán) 泵浦源5光纖激光器大致可分為三類: 稀土元素?fù)诫s光纖激光器 摻雜離子可為Nd3+，Er3+，Yb3+，Tm3+等，基質(zhì)可以是石英玻璃，氟化鋯玻璃，單晶等 染料光纖激光器 纖芯、包層或二者加入激光染料 非線性光纖激光器 利用光纖中的SRS，SBS非線性效應(yīng)產(chǎn)生波長可變換的激光。 67光纖激光器的主要特點(diǎn)光纖作為導(dǎo)波介質(zhì)，纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，可方便地與目前的光纖通

5、信系統(tǒng)高效連接，構(gòu)成的激光器具有高轉(zhuǎn)換效率、低閾值、高增益、輸出光束質(zhì)量好和線寬窄等特點(diǎn)；由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可設(shè)計(jì)得相當(dāng)小巧靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易于系統(tǒng)集成、性能價(jià)格比高； 8 與固體、氣體激光器相比：能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、適合批量生產(chǎn)； 與半導(dǎo)體激光器相比：單色性好，調(diào)制時(shí)產(chǎn)生的啁啾和畸變小，與光纖耦合損耗小。 9 1.雙包層 光纖激光器 雙包層摻雜光纖的構(gòu)形如下圖所示 內(nèi)包層光纖芯外包層保護(hù)層激光輸出泵浦光10 雙包層摻雜光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層四個(gè)層次組成。內(nèi)包層的作用：一是包繞纖芯，將激光輻射限制在纖芯內(nèi)；二是將泵浦光耦合到內(nèi)包層，使之在內(nèi)包層

6、和外包層之間來回反射，多次穿過單模纖芯被其吸收。 在雙包層結(jié)構(gòu)中，泵浦光的吸收率和內(nèi)包層的幾何形狀和纖芯在包層結(jié)構(gòu)中的位置有關(guān)。此外，泵浦光被摻雜稀土離子的吸收率正比于內(nèi)包層和外包層的面積比。11纖芯外包層保護(hù)層 圓形內(nèi)包層雙包層光纖橫剖面內(nèi)包層D型內(nèi)包層雙包層光纖橫剖面 下面介紹幾種不同幾何結(jié)構(gòu)的雙包層光纖，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：12偏心型內(nèi)包層雙包層光纖橫剖面正方形內(nèi)包層雙包層光纖橫剖面長方形內(nèi)包層雙包層光纖橫剖面纖芯內(nèi)包層外包層保護(hù)層星型內(nèi)包層雙包層光纖橫剖面13圓形、偏心、D形、矩形內(nèi)包層的雙包層光纖吸收效率比較14 加州圣何塞光譜二極管實(shí)驗(yàn)室的雙包層光纖激光器其連續(xù)輸出功率大于110W。

7、光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)58.3%、實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示:15 其主要參數(shù)為：發(fā)射波長1120nm，最大輸出功率110W，光束質(zhì)量（M2）1.11.7;包層光纖：170mX330m矩形內(nèi)包層，單模纖芯直徑9.2m。16 美國IPG公司相繼推出輸出功率為700W、2KW和10KW的摻Y(jié)b雙包層高功率光纖激光器產(chǎn)品。為了提高光纖激光器的輸出功率，可采用多組寬帶區(qū)多模半導(dǎo)體二極管作為泵浦源，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示 1718V形槽泵浦方式19泵浦方式20微棱鏡泵浦方式21嵌入鏡泵浦方式22光柵側(cè)面泵浦方式23IPG公司光纖激光器泵浦激光二極管預(yù)計(jì)壽命24國內(nèi)研究的最新成果北京交通大學(xué)196W激光輸出25國內(nèi)研究的最

8、新成果清華大學(xué)研制的最大714W的光纖激光器26國內(nèi)研究的最新成果上海光機(jī)所研制的最大714W的光纖激光器光纖長21m,內(nèi)包層D形，NA0.46,芯徑38微米，NA0.0827國內(nèi)研究的最新成果282.任意形狀光纖激光器 雙包層泵浦技術(shù)取得良好的效果，但由于受包層截面積的限制，影響泵浦功率的進(jìn)一步提高。日本植田提出“任意形狀激光器”（不同光纖結(jié)構(gòu)的光纖激光器）的方案。該方案以摻雜光纖構(gòu)成圓盤狀或圓柱狀等不同的光纖介質(zhì)，泵浦光從邊緣注入，這樣泵浦光的耦合能利用的面積比纖芯端面和包層端面大得多。29低折射率層圓盤主體結(jié)構(gòu)摻雜光纖泵浦光 以平面狀為例，用折射率與纖維包層相同的材料嵌入光纖的間隙，表面作成光學(xué)表面，使泵浦光在圓盤內(nèi)全反射。 30 下圖表示各種形狀：盤狀、片狀、圓柱狀、環(huán)狀、棒狀等不同結(jié)構(gòu)。31耦合波導(dǎo)光纖盤冷卻板輸入輸出LD32六、光子晶體光纖(Photonic crystal fiber)的發(fā)展1987年YABLONOVITCH和JOHN最早提出了光子晶體（Photonics crystal)概念，1992年RUSELL等人得出了光子晶體光纖（PCF）概念，在石英光纖中沿軸向均勻排列著空氣孔，從橫截面上看二維的周期結(jié)構(gòu)，孔的中間存在著一個(gè)缺陷，光就被限制在這個(gè)缺陷中傳播。通過控制PC