關(guān)于光纖激光器的文獻(xiàn)綜述

關(guān)于光纖激光器的文獻(xiàn)綜述摘要

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，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。由于其具有絕對(duì)理想的光束質(zhì)量、超高的轉(zhuǎn)換效率、成本低、高穩(wěn)定性以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的激光行業(yè)產(chǎn)生巨大而積極的影響。這導(dǎo)致了光纖激光器在近年來成為激光中的熱門領(lǐng)域。鎖模光纖激光器與摻雜光纖激光器，在實(shí)用方面的優(yōu)點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)的激光行業(yè)產(chǎn)生巨大而積極的影響，這導(dǎo)致了光纖激光器在近年來成為激光中的熱門領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：激光器鎖模摻雜光纖激光器

1

鎖模光纖激光器

鎖模光纖激光器因其緊湊小巧、成本低和光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，近年來獲得快速的發(fā)展。根據(jù)其鎖模的原理，文獻(xiàn)【1】【10】認(rèn)為鎖模光纖激光器可分為三類：主動(dòng)鎖模光纖激光器、被動(dòng)鎖模光纖激光器，主被動(dòng)混合鎖模光纖激光器。

文獻(xiàn)【2】認(rèn)為主動(dòng)鎖模光纖激光器又可分為調(diào)制型鎖模和注入型鎖模兩類。文獻(xiàn)【4】【11】認(rèn)為調(diào)制型主動(dòng)鎖模光纖激光器通常利用LiNbO3晶體作為調(diào)制器實(shí)現(xiàn)鎖模，既可以進(jìn)行振幅調(diào)制也可以進(jìn)行相位調(diào)制，而注入型鎖模光纖激光器主要有兩種形式：文獻(xiàn)【3】和文獻(xiàn)【5】認(rèn)為一是利用行波半導(dǎo)體光放大器的非線性增益調(diào)制特性實(shí)現(xiàn)主動(dòng)鎖模；二是利用光纖的價(jià)差相位調(diào)制效應(yīng)進(jìn)行主動(dòng)鎖模。但主動(dòng)鎖模光纖激光器想走向?qū)嵱没?，穩(wěn)定性問題是必須要解決的。

文獻(xiàn)【7】認(rèn)為被動(dòng)鎖模光纖激光器通常利用半導(dǎo)體的可飽和吸收效應(yīng)或光纖中的非線性效應(yīng)作為鎖模機(jī)制，它一般不需要外接施加的調(diào)制信號(hào)。半導(dǎo)體可飽和吸收鎖模激光器的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)激光器的自啟動(dòng)，而且脈沖的重復(fù)頻率較穩(wěn)定，脈寬小，但因?yàn)槠洳皇侨饫w的結(jié)構(gòu)，故在實(shí)際應(yīng)用中響應(yīng)速度交大。文獻(xiàn)【6】認(rèn)為基于光纖非線性的鎖模激光器可實(shí)現(xiàn)全光纖的結(jié)構(gòu)，克服了半導(dǎo)體可飽和吸收體被動(dòng)鎖模的缺點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間小。

主被動(dòng)混合鎖模光纖激光器是以上兩種的有機(jī)結(jié)合，因?yàn)橹鲃?dòng)鎖模光纖激光器的弛豫震蕩和超模噪聲劣化了輸出脈沖的質(zhì)量，而被動(dòng)鎖模光纖激光器輸出脈沖重復(fù)率受光纖長度的限制不可能提高，而且不容易調(diào)整和控制，所以利用主被動(dòng)混合的技術(shù)，可以優(yōu)化這些不足，獲得最好的效果。這類激光器具有體積小、超快光譜、材料加工、非線性光學(xué)、醫(yī)學(xué)成像和外科醫(yī)療等領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用前景。

2

摻雜光纖激光器

摻雜光纖激光器的增益介質(zhì)主要是摻稀土光纖，激光產(chǎn)生機(jī)制是受激輻射。文獻(xiàn)【8】文獻(xiàn)【9】文獻(xiàn)【21】認(rèn)為按照所摻稀土元素不同，可分為摻3Yb光纖激光器，摻3Er光纖激光器以及33/YbEr共摻光纖激光器等。不同的摻雜光纖的發(fā)射波長不同，摻3Er光纖激光器以其激射波長在光纖通信窗口1.55m波段，與光纖通信系統(tǒng)完全兼容等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的研究，被認(rèn)為是將來長距離，大容量的超高束光纖通信及孤子通信系統(tǒng)的理想光源。3Yb具有相當(dāng)寬的吸收帶（8001064nm）以及相當(dāng)寬的激發(fā)帶（9701200nm），因此，泵浦源的選擇非常廣泛且泵浦源和激光都沒有受激態(tài)吸收。雙包層摻3Yb光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)非常高的輸出功率，單模輸出最大可達(dá)200W，是激光加工的理想光源。文獻(xiàn)【14】【15】認(rèn)為摻3Tm光纖激光器的激射波長為1.4m波段，也是重要的光纖通信光源。文獻(xiàn)【12】認(rèn)為其他的摻雜光纖激光器，如在2.1m波長工作的摻3Ho光纖激光器，由于水分子在2.1m附近有很強(qiáng)的中紅外吸收峰，對(duì)鄰近組織的熱傷害小，止血性號(hào)，且該波段對(duì)人眼是安全的，在醫(yī)療和生物研究上有廣闊應(yīng)用前景。

3

光纖激光器的主要技術(shù)問題

一

如何提高光纖光柵性能，新型光纖光柵調(diào)諧探索

全光纖調(diào)諧激光器波長的選擇由光纖光柵完成。顯然，文獻(xiàn)【19】認(rèn)為全光纖調(diào)諧激光器的完善和發(fā)展在很大程度上將依賴于光纖光柵技術(shù)的發(fā)展，如光纖光柵工作波長的選取，波長的穩(wěn)定性，峰值波長的帶寬和反射率，使用壽命和費(fèi)效比等都是迫切需要解決的主要問題。

二

光纖光纖激光器的噪聲問題

文獻(xiàn)【20】認(rèn)為無論是光源驅(qū)動(dòng)電路引入的電噪聲，還是光器件帶來的噪聲，都將是影響其使用性能，制約其發(fā)展的一大因素。因此，光纖激光器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求具有結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲小，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)，制作性能優(yōu)異的無光源器件也是光纖激光器發(fā)展的關(guān)鍵。

三

如何增大全光纖調(diào)諧激光器的調(diào)諧范圍

許多科學(xué)技術(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域都需要更寬調(diào)制范圍的全光纖調(diào)諧激光器如何最大限度的利用摻3Er光纖的增益帶寬，文獻(xiàn)【18】認(rèn)為增大激光器的可調(diào)諧范圍尚待進(jìn)一步完善和提高。

四

如何提高全光纖調(diào)諧激光器穩(wěn)定性

文獻(xiàn)【13】認(rèn)為可調(diào)諧激光器無論是駐波型還是行波型，激光震蕩的模式和自脈動(dòng)等現(xiàn)象都嚴(yán)重影響激光輸出的穩(wěn)定性（包括波長穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性），這涉及激活介質(zhì)的特性和模式競爭等問題，未來研究工作應(yīng)該搞清楚全光纖調(diào)諧激光器輸出穩(wěn)定性的物理機(jī)制，并尋求相應(yīng)的技術(shù)措施。

4

光纖激光器的發(fā)展前景

光有源器件是光通信系統(tǒng)中將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)或?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的關(guān)鍵器件，是光傳輸系統(tǒng)的心臟。而光纖激光器在光學(xué)模式，使用壽命等方面的優(yōu)點(diǎn)使其成為新一代固體激光器的代表，有廣闊的前景。

根據(jù)文獻(xiàn)【22】【23】，我們了解到了未來光纖激光器的主要發(fā)展方向：

一

全方位拓寬光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域，研制全光纖激光器實(shí)現(xiàn)與光纖通信系統(tǒng)高效率連接。

二

擴(kuò)展新的激光波段，拓寬激光器的可調(diào)諧范圍，壓窄激光譜寬。

三

高功率，高亮度多模半導(dǎo)體激光器的改進(jìn)和包層泵浦光纖技術(shù)的發(fā)展使得高功率激光器前景良好，是目前國際上激光技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)【25】認(rèn)為進(jìn)一步提高光纖激光器的性能和輸出功率，是高功率光纖激光器發(fā)展的主要研究內(nèi)容。

四

高功率連續(xù)光纖激光向高平均功率，高峰值功率的脈沖光纖激光器發(fā)展。從應(yīng)用目標(biāo)出發(fā)時(shí)，連續(xù)工作的光纖激光器能提供的靶面功率密度較低，脈沖工作的光纖激光器應(yīng)用將更加廣泛。

五

進(jìn)行整機(jī)小型化，實(shí)用化和智能化的研究，全面提高全光纖調(diào)諧激光器的性能，盡快達(dá)到實(shí)用化和商業(yè)化。文獻(xiàn)【24】【26】認(rèn)為目前，全光纖調(diào)諧激光器的研究大部分尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，極少有商品提供。今后應(yīng)努力提高激光器的泵浦效率和輸出功率，增加光輸出的穩(wěn)定性，延長壽命，優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低成本，使之達(dá)到實(shí)用化水平，盡快形成產(chǎn)業(yè)。

六

從常規(guī)的光纖激光器組束技術(shù)向相干組束技術(shù)發(fā)展。文獻(xiàn)【25】【28】認(rèn)為將多個(gè)高功率光纖激光器的輸出按常規(guī)方式組束，雖然可以提升總的輸出功率，但光束質(zhì)量變差，亮度提高有限。相干組束技術(shù)則可以在提升總功率的同時(shí)，保持光纖激光器良好的光束質(zhì)量，這將是高功率光纖激光器的很有前途的發(fā)展方向。

七

光纖激光器的工業(yè)應(yīng)用從低功率的打標(biāo)，雕刻（百瓦級(jí)）向更高功率的金屬和陶瓷的切割，焊接等方面發(fā)展（千瓦到萬瓦級(jí)）。文獻(xiàn)【29】認(rèn)為在汽車和造船等行業(yè)中，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便的高功率光纖激光器具有巨大的市場(chǎng)潛力，但要成功取代常規(guī)工業(yè)激光器還要依賴于它能夠獲得優(yōu)良的光束質(zhì)量。小結(jié)

隨著光通信網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖激光器技術(shù)正在不斷向廣度和深度方面推進(jìn)。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是以光纖光柵，濾波器，光纖技術(shù)，光子晶體光纖等為基礎(chǔ)的新型光器件的陸續(xù)面世，將為光纖激光器的設(shè)計(jì)提供新的對(duì)策和思路。包層泵浦光纖激光器和單波長，多波長RFL的面世，無疑體現(xiàn)出光纖激光器的巨大潛力。文獻(xiàn)【30】認(rèn)為目前光纖激光器的開發(fā)研制轉(zhuǎn)向多功能化，實(shí)用化方向發(fā)展，逐漸開發(fā)出能根據(jù)客戶需要而輸出特定波長的Raman光纖激光器，針對(duì)WDM系統(tǒng)而開發(fā)的基于超連續(xù)譜的多波長光纖激光器，能改變波長間隔的多波長激光器和高亮度，高功率的大功率激光器?？梢灶A(yù)見，光纖激光器必將在未來各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

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