常用光纖激光器簡(jiǎn)介

?1.導(dǎo)言???

??? 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(kāi)發(fā)出來(lái)：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(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。???

??? 光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國(guó)防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等等。???

??? 2.光纖激光器的優(yōu)勢(shì)???

??? 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(shì)：???

??? （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(lái)的小型化、集約化優(yōu)勢(shì)；???

??? （2）玻璃光纖對(duì)入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴(yán)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(zhǎng)多：這是因?yàn)橄⊥岭x子能級(jí)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(jí)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(nèi)無(wú)光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)激光器無(wú)法比擬的。???

??? （7）光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應(yīng)用，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單。???

??? （8）勝任惡劣的工作環(huán)境，對(duì)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(jiǎn)單的風(fēng)冷。???

??? （10）高的電光效率：綜合電光效率高達(dá)20%以上，大幅度節(jié)約工作時(shí)的耗電，節(jié)約運(yùn)行成本。???

??? （11）高功率,目前商用化的光纖激光器是六千瓦。???

??? 3.高功率的光纖激光器及其包層泵浦技術(shù)????
?
??? 雙包層光纖的出現(xiàn)無(wú)疑是光纖領(lǐng)域的一大突破，它使得高功率的光纖激光器和高功率的光放大器的制作成為現(xiàn)實(shí)。自1988年E Snitzer首次描述包層泵浦光纖激光器以來(lái)，包層泵浦技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用到光纖激光器和光纖放大器等領(lǐng)域，成為制作高功率光纖激光器首選途徑。???

??? 包層泵浦技術(shù)，由四個(gè)層次組成:①光纖芯;②內(nèi)包層;③外包層;④保護(hù)層。如圖（1）所示，將泵光耦合到內(nèi)包層（內(nèi)包層一般采用異形結(jié)構(gòu)，有橢圓形、方形、梅花形、D形及其六邊形等等）,光在內(nèi)包層和外包層（一般設(shè)計(jì)為圓形） 之間來(lái)回反射,多次穿過(guò)單模纖芯被其吸收。這種結(jié)構(gòu)的光纖不要求泵光是單模激光,而且可對(duì)光纖的全長(zhǎng)度泵浦,因此可選用大功率的多模激光二極管陣列作泵源,將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內(nèi),大大提高了泵浦效率。?

包層泵浦技術(shù)特性決定了該類激光器有以下幾方面的突出性能。???

??? 1、高功率???

??? 一個(gè)多模泵浦二極管模塊組可輻射出100瓦的光功率，多個(gè)多模泵浦二極管并行設(shè)置，即可允許設(shè)計(jì)出很高功率輸出的光纖激光器。

??? 2、無(wú)需熱電冷卻器???

???這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，只須簡(jiǎn)單的風(fēng)冷，成本低。??

??? 3、很寬的泵浦波長(zhǎng)范圍???

??? 高功率的光纖激光器內(nèi)的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素，有一個(gè)寬且又平坦的光波吸收區(qū)(930-970nm),因此，泵浦二極管不需任何類型的波長(zhǎng)穩(wěn)定裝置???

??? 4、效率高???

??? 泵浦光多次橫穿過(guò)單模光纖纖芯，因此其利用率高。???

??? 5、高可靠性???

??? 多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來(lái)其穩(wěn)定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得激光器的斷面上的光功率密度很低且通過(guò)活性面的電流密度亦很低。這樣一來(lái)，泵浦二極管其可靠運(yùn)轉(zhuǎn)壽命超過(guò)100萬(wàn)小時(shí)。???

??? 目前實(shí)現(xiàn)包層泵浦光纖激光器的技術(shù)概括起來(lái)可分為線形腔單端泵浦、線形腔雙端泵浦、全光纖環(huán)形腔雙包層光纖激光器三大類，不同特色的雙包層光纖激光器可由該三種基本類型拓展得到。???

??? OFC－2002的一篇文獻(xiàn)采用如圖2所示腔體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W，傾斜效率高達(dá)85%的新型包層泵浦光纖激光器[1]。在產(chǎn)品技術(shù)方面，美國(guó)IPG公司異軍突起，已開(kāi)發(fā)出700W的摻鐿雙包層光纖激光器，并宣稱將推出2000W的光纖激光器。???

??? 4.新型的光纖激光器技術(shù)???

??? 早期對(duì)激光器的研制主要集中在研究短脈沖的輸出和可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍的擴(kuò)展方面。今天，密集波分復(fù)用(DWDM)和光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進(jìn)步加速和刺激著多波長(zhǎng)光纖激光器技術(shù)、超連續(xù)光纖激光器等的進(jìn)步。同時(shí)，多波長(zhǎng)光纖激光器和超連續(xù)光纖激光器的出現(xiàn)，則為低成本地實(shí)現(xiàn)Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑來(lái)看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術(shù)、超發(fā)光二極管等技術(shù)均見(jiàn)報(bào)道。???

??? 5.我國(guó)光纖激光器目前研究進(jìn)展???

??? 2002年南開(kāi)大學(xué)報(bào)道了在摻Y(jié)b3 + 雙包層光纖器中得到了脈寬4. 8ns 的自調(diào)Q 脈沖輸出和混合調(diào)Q 雙包層光纖激光中得到峰值功率大于8kW ,脈寬小于2ns 的脈沖輸出。???

??? 2003年南開(kāi)大學(xué)報(bào)道了利用脈沖泵浦獲得100kW 峰值功率的調(diào)Q 脈沖,以及得到的60nm 可調(diào)諧的調(diào)Q 脈沖。???

??? 2003年11月20日?qǐng)?bào)道，上?？茖W(xué)家在激光領(lǐng)域取得新成果，成功開(kāi)發(fā)出輸出功率高達(dá)107W的光纖激光器。此激光器的全稱為“高功率摻鐿雙包層光纖激光器”，與目前已有的激光器相比它的維護(hù)費(fèi)用和功率消耗都要低得多，壽命是普通激光器的幾十倍。該課題組的負(fù)責(zé)人之一樓祺洪研究員告訴記者，激光打印有著廣泛的應(yīng)用前景，與市民生活直接相關(guān)的如食品的生產(chǎn)日期、防偽標(biāo)志等，若以激光打印代替現(xiàn)在的油墨打印清晰度高、永不褪色、難以仿冒、利于環(huán)保，具有國(guó)際流行的新趨勢(shì)。上海科學(xué)家研制的光纖激光器使光纖激光輸出功率又上升了一個(gè)新臺(tái)階，最大輸出功率達(dá)107W，已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于全國(guó)同行。

??? 2004年，南開(kāi)大學(xué)又報(bào)道了連續(xù)泵浦206kW峰值功率的調(diào)Q 脈沖。???

??? 2004年12月3日，烽火通信報(bào)道，繼推出激光輸出功率達(dá)100W以上的雙包層摻鐿光纖后，經(jīng)過(guò)艱苦的攻關(guān)再創(chuàng)佳績(jī)，將該類新型光纖的輸出功率成功提高至440W，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。?

??? 這是烽火通信在特種光纖領(lǐng)域邁出的重要一步，同時(shí)也是我國(guó)在高功率激光器用光纖領(lǐng)域的重大突破。摻鐿雙包層光纖激光器是國(guó)際上新近發(fā)展的一種新型高功率激光器件，由于其具有光束質(zhì)量好、效率高、易于散熱和易于實(shí)現(xiàn)高功率等特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速，并已成為高精度激光加工、激光雷達(dá)系統(tǒng)、光通信及目標(biāo)指示等領(lǐng)域中相干光源的重要候選者。雙包層摻鐿激光器的主要激光增益介質(zhì)是雙包層摻鐿光纖，因此雙包層摻鐿光纖的性能直接決定了該類激光器的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。烽火通信作為國(guó)內(nèi)唯一一家進(jìn)行雙包層摻鐿光纖研究的單位，在成功推出輸出功率達(dá)100W以上的完全可商用的雙包層摻鐿光纖產(chǎn)品后，又加大的研發(fā)力度，使得其輸出功率實(shí)現(xiàn)440W以上，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。???

???? 6.結(jié)論???

??? 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(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)越性。不過(guò)，我們認(rèn)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(huì)替代掉全球大部分高功率 CO2激光器和絕大部分YAG激光器。