光纖激光器及其應用

光纖激光器及其應用第一頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日主要內(nèi)容1光纖激光器的簡介光纖激光器的分類3光纖激光器優(yōu)點4光纖激光器的原理2光纖激光器的應用和展望52第二頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日定義光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當適當加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。簡介13第三頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日發(fā)展歷史早在20世紀60年代初,美國光學公司的E1Snitzer等人就已經(jīng)提出了摻稀土元素光纖激光器和放大器的構(gòu)想,但直到20世紀80年代,隨著激光二極管泵浦技術(shù)的發(fā)展和雙包層結(jié)構(gòu)光纖的提出,光纖激光器才進入了一個蓬勃發(fā)展的階段。早期：主要集中在研究短脈沖的輸出和可調(diào)諧波長范圍的擴展方面。目前：主要集中在高功率光纖激光器、高功率光子晶體光纖激光器、窄線寬可調(diào)諧光纖激光器、多波長光纖激光器、非線性效應光纖激光器和超短脈沖光纖激光器等幾個方面。4第四頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日

光纖激光器的原理

光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學諧振腔和激勵光子躍遷的泵浦源三部分組成?；驹肀闷止鈸诫s光纖腔鏡腔鏡輸出激光光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖25第五頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日光纖激光器的分類按諧振腔結(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”字形腔DBR光纖激光器、DFB光纖激光器按光纖結(jié)構(gòu)分類：單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器按增益介質(zhì)分類：稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應光纖激光器、單晶光纖激光器按摻雜元素分類：摻鉺（Er3+）、釹（Nd3+）、鐠（Pr3+）、銩（Tm3+）鐿（Yb3+）、鈥（Ho3+）按輸出波長分類：S-波段（1280~1350nm）、C-波段（1528~1565nm）L-波段（1561~1620nm）按輸出激光分類：脈沖激光器、連續(xù)激光器36第六頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日幾種典型的光纖激光器的介紹

這類激光器與摻雜光纖激光器相比具有更高的飽和功率，且沒有泵浦源限制，在光纖傳感、波分復用（WDM）及相干光通信系統(tǒng)中有著重要應用。一種簡單的全光纖受激拉曼散射激光器見下圖所示，這是一種單向環(huán)形行波腔，耦合器的光強耦合系數(shù)為K。一般典型的受激拉曼分子主要有GEO2、SIO2、P2O5。(1)光纖受激拉曼散射激光器受激拉曼散射光纖激光器示意圖

7第七頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日(2)光纖光柵激光器

DBR光纖激光器基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，利用一段稀土摻雜光纖和一對相同諧振波長的光纖光柵構(gòu)成諧振腔，它能實現(xiàn)單縱模工作。DBR光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖

8第八頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日(3)光纖光柵激光器

DFB光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，在稀土摻雜光纖上直接寫入的光柵構(gòu)成諧振腔，其有源區(qū)和反饋區(qū)同為一體。DFB光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖

9第九頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日

光纖激光器的優(yōu)點光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有以下優(yōu)勢：（1）玻璃光纖制造成本低、技術(shù)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(zhì)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，所以上轉(zhuǎn)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(diào)諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。

4410第十頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日（6）由于光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學鏡片，具有免調(diào)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。（7）光纖導出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應用，使機械系統(tǒng)的設(shè)計變得非常簡單。（8）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。11第十一頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日

光纖激光器的應用和展望

1標刻應用

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。

512第十二頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日2材料處理的應用

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(shù)。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。

13第十三頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日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(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。14第十四頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日此外，隨著紫外光纖光柵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用于數(shù)據(jù)存儲，彩色顯示，醫(yī)學熒光診斷。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)域得到應用。15第十五頁，共十七頁，編輯于2023年，星期日展望

光纖激光器的優(yōu)良性能，決定了它比半導體激光器和大型激光器擁有更多的優(yōu)勢，其應用范圍越來越廣闊，為滿足快速增長的巨大的市場需求，美國、西歐、日本和我國都已紛紛加大了光纖激光器的研發(fā)力度。光纖激光器不僅在光纖