光纖激光器介紹

1、光纖激光器介紹-.光纖激光器地原理簡潔光纖激光器是指以光纖為基質摻入某些激活離子作做成工作物質，或者是利 用光纖本身地非線性效應制作成地一類激光器.Nd2o3地光纖激光器是于1963年首先研制成功.與普通激光器一樣，光纖激光器也由工作物質、諧振腔和泵浦源組成，如圖所 示.一般地光纖激光器大多是在光纖放大器地基礎上發(fā)展起來地.它是利用摻雜稀 土元素地光纖，再加上一個恰當地反饋機制便形成了光纖激光器摻雜稀土元素地光纖就充當了光纖激光器地增益介質在光纖激光器中有一根非常細地光纖纖芯， 由于外泵浦光地作用，在光纖內便很容易形成高功率密度，從而引起激光工作物質 能級地粒子數反轉，從纖芯輸出激光.依據摻雜

2、離子（如Er 3+、Yb 3+、Nd 3+ 等）特性地不同，工作物質吸收不同波長泵浦光而激射出特定波長地激光由于摻Yb光纖具有寬吸收譜、寬增益帶和調諧范圍寬等優(yōu)點，目前高功率光纖激光器，大多采用摻Yb 3+（或Er ,Yb共摻）光纖.圖i業(yè)纖濁光器的庇木機構國光纖是以SiO2為基質材料拉成地玻璃實體纖維，一般由中心高折射率玻璃芯（芯徑一般為9-62.5卩m）中間低折射率硅玻璃包層（芯徑一般為125卩m）和最外部地加強樹脂涂層組成.、幾種光纖激光器2.1低功率光纖激光器普通通訊用地光纖激光器輸出功率一般都是毫瓦級，其典型結構如下圖:13 / 12摻稀土離L D光柵1輸出激光光柵2它與我們傳統(tǒng)加工

3、用地工業(yè)激光地顯著區(qū)別有：用摻雜離子地光纖作為工作 物質用光纖光柵代替光學鏡片構成光學諧振腔 LD泵浦源可以通過尾纖與摻雜光 纖無縫耦合導光部分也直接采用光纖輸出但是該種激光器地單模纖芯直徑只有 9um,而且只能采用端泵，無法承受太高 地功率密度；另外，單模纖芯對LD地模式提出了嚴格地要求，只有單模光才可以 耦合進纖芯進行有效泵浦，可惜大功率單模LD至今無法實現；最后，強泵浦光耦 合在很細地纖芯里會出現嚴重地非線性效應，從而改變會改變光學性能和降低轉 換效率由于該種激光器受到功率地影響，一直以來只局限于光通訊領域；同時由 于巨大地行業(yè)差距，幾乎無人曾敢把它與激光加工聯想到一塊所以，大功率輸出

4、是光纖激光器發(fā)展地最大瓶頸，幾乎所有地研究工作都在圍繞這個問題展開盡管中國絕大部分人士是在2002年以后才意識到高功率光纖激光器，可是俄 羅斯至少潛心苦研了 20年后有了 IPG公司，英國也至少研究了 30年也有了 SPI. 他們在冷戰(zhàn)時代都肩負著重要地國防使命，得到了國家地鼎立支持并一直是軍事 領域地絕密.2.2、高功率光纖激光器下圖是來自俄羅斯技術地IPG公司地高功率光纖激光器地原理圖，按激光器 三大組成部分淺析如下：激光輸2.2.1、工作物質-雙包層特種光纖：1、單模纖芯由摻鐿離子等元素地石英材料構成，作為激光振蕩通道；而內包層則由橫向尺寸和數值孔徑比纖芯大地多、折射率比纖芯小地純石英材

5、料構成，它是接受多模LD泵浦光地多模光纖；正是因為摻雜激活纖芯和接受多模泵浦光 地多模內包層分開，才得以實現了多模光泵浦而單模光輸出地可能，從而無形化解 了激光功率和光束質量這一矛盾.2、整個雙包層光纖采用D型等結構，旋光效應小,吸收充分，光光轉換80%以 上.3、光纖兩側生出無數杈纖，每分衩可與帶尾纖地LD無縫耦合形成分點泵浦, 可極大地提高輸出功率，同時又避免了傳統(tǒng)端泵帶來地一系列熱效應問題光纖采用比普通玻璃性能更好地石英材料制成，同時摻雜耐高輻射離子，整段 光纖可承受高達10,000W地激光能量而不會出現熱損傷情況.Yb3+沒有激發(fā)態(tài)吸收，可高濃度摻雜，同時光纖可達幾百米，一可大大提高激

6、 光增益，二又增大了散熱面積；光纖盤在熱沉（國內習慣上將這種模擬宇宙冷黑 環(huán)境地裝置叫做“熱沉”.）上，簡單風冷便可穩(wěn)定工作.Yb3+地吸收譜比Nd3+要寬10倍，對LD光源模式十分寬松,幾乎不受波長溫 漂地影響，可大大轉換效率.Yb3+能級為簡單地二能級，亞穩(wěn)態(tài)壽命是Nd3+地三倍，小功率泵源就可在激 發(fā)態(tài)積累貯存大量地能量，十分合適在極窄地纖芯內形成高密度地離子數反轉，從 而可輸出穩(wěn)定地強激光.¥2+的能級圖222、光學諧振腔-光纖光柵:1、光纖光柵是利用光纖材料地光敏性：即外界入射光子和纖芯相互作用而 引起后者折射率地永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖地纖芯內形成 地空

7、間相位光柵，其實質是在纖芯內形成一個窄帶地濾光器或反射鏡 .2、光纖光柵是被刻在纖芯地兩端，當激活離子發(fā)射出一連續(xù)寬帶光傳輸到光 柵時，它會有選擇地反射回相應地一個窄帶光 （如1064nm）,并沿原傳輸光纖返回 振動；其余雜光則直接透射或發(fā)射到光纖外濾掉.3、光纖光柵是在纖芯本身上刻錄地，與光纖連成一體高度融合，不占任何額外 體積，無任何插損，不怕任何振動和雜物地侵入.4、光纖光柵起著激光選頻、反饋和放大地功能，從而巧妙地取代了鏡片式傳 統(tǒng)光學諧振腔，從根本上解決了震動、灰塵和潮濕等引起地一系列光路需調節(jié)地煩瑣問題5、一般地通訊光纖光柵是溫度敏感地，要承受高功率激光輻射，則必須采用負 膨脹材料

8、封裝光纖光柵，把溫漂系數控制在0.001 nm/oC以下.223、泵浦系統(tǒng)-側面泵浦:采用杈纖直接熔接耦合進行側泵，一無需任何光學元件，二可避免損傷光纖端 面，三是容易提高泵源地注入新穎地蜈蚣式側泵方式：光纖兩側生許多纖杈與LD尾纖直接熔接，從各個不 同點進行單個泵浦，可避免強激光單點引起地非線性效應和模式惡化采用多個高功率LD單管代替LD集成陣列作泵浦源，一可提高光源地模式， 二是易于泵源地散熱提高壽命，三有利于維修更換采用發(fā)光面很寬地LD（ 100-250us）作為泵源可大大降低LD發(fā)光點所承受 地光功率密度提高其壽命，一般可達100,000小時2.3、脈沖光纖激光器既然光纖激光器地諧振腔

9、本身就是一段光纖，所以它不能像傳統(tǒng)激光器那樣 在諧振腔內插入Q開關來實現脈沖輸出，因為把光纖諧振腔（就是光纖）攔腰截 斷插入Q晶體，一會增大插入損耗，二會影響整個激光器地緊湊性而無法實現光纖 一體化.所以如何實現光纖激光器地脈沖輸出又是一個全新地研究課題.目前比較成熟地技術是采用MOPA （主振動功率放大）技術來實現.LD LDMOPA（功率放大器）MO（ Master Oscillator）就是主振動器，它其實就是一個功率（10-20mw）很小地激光器，一般可選用波長合適（如1064nm）地LD.小功率LD很容易通過驅 動電流來直接調制輸出參數，如重復頻率、脈寬、脈沖波形以及功率大小，通過尾

10、 纖把光脈沖信號串聯進PA（Power Amplifier）-光纖功率放大器進行光脈沖放大. 光纖放大器一般只用于光纖通訊，它地原理與光纖激光器十分相似，只不過撤掉了 光纖兩端地光纖光柵而無法形成激光振動，只起信號放大作用光纖放大器能嚴格 按照M0耦合近來地種子源光進行原形放大，卻不改變激光波長、重復頻率、脈 寬和脈沖波形.所以脈沖激光器采用 MOPA方式，既可得到優(yōu)良地激光特性，又能 大大提高輸出激光地亮度這是傳統(tǒng)方式所無法達到地綜合效果從M0出來地光脈沖通過PA放大器時,脈沖地各部位獲得地增益會不同：脈 沖前沿地增益按指數規(guī)律增加，脈沖后部地增益逐漸減少，脈沖后沿增益最小，尤 其是如果脈沖

11、信號光很強，或脈寬較寬時，脈沖后沿根本就得不到放大所以在PA 中一般要加上增益平坦器，使得脈沖各部位得到均勻放大（如果入射信號地能量 很小或者脈沖很短，整個脈沖可得到均勻放大，而且脈沖形狀保持不變）激光脈沖通過放大器之后，其波形地變化與入射信號脈沖地前沿上升速度有 著直接地關系.如果信號光是高斯型脈沖，因脈沖前沿上升比指數還快，所以經過 放大后，脈寬可以得到壓縮；如果是指數型脈沖，形狀和脈寬幾乎都不變化；如果 輸入脈沖前沿上升時間比指數函數更緩慢，則放大后其脈寬會變寬 一般為了獲得 高功率、窄脈寬地激光脈沖，可以在信號進入放大器之前，采用削波技術切去脈沖 地緩慢上升部分，使其脈沖前沿變陡，即能

12、達到壓縮脈寬地目地三、光纖激光器地特點與傳統(tǒng)地固體激光器相比，光纖激光器體積小，壽命長，易于系統(tǒng)集成，在高溫 咼壓,咼震動,咼沖擊地惡劣環(huán)境中皆可正常運轉，其輸出光譜具有更咼地可調諧 性和選擇性1）增益介質地表面積/體積比大光纖激光器采用光纖做增益介質，具有很大地表面積/體積比,這使其具有非 常好地散熱性能，因此,即使非常高功率地光纖激光器，增益介質也不會受到熱損 害,一般無需對增益介質采取特別地散熱措施，而其他種類地激光器，增益介質地 散熱問題是需要重點考慮地，因此，該特點是光纖激光器所獨有地2）優(yōu)異地雙波導限制機制高功率光纖激光器采用雙包層有源光纖，這種雙包層光纖是一種雙波導結構， 高功率

13、地多模泵浦光被限制在直徑較大地內包層中傳輸，為采用高功率廉價地多 模泵浦光提供了條件，信號激光在直徑很小地具有圓對稱波導結構地纖芯中產生 和傳輸，在小芯徑纖芯波導地限制下，信號激光可獲得理想地光束質量和極小地出 光光斑直徑，這是光纖激光器獨具吸引力地重要特點，在高功率激光器中，目前還 沒有一種激光器能夠超越優(yōu)異地光束質量和極小地出光光斑直徑在激光應用中 具有非常重要地意義，可使后續(xù)應用設備地光學系統(tǒng)更簡單，體積更小，工作距離 更長，激光聚焦光斑更小，工作效率更高，加工深度更深，加工質量更好等等3）固有地全封閉柔性光路光纖激光器地光路全部由光纖和光纖元件構成，光纖和光纖元件之間采用光 纖熔接技術

14、連接，整個光路完全封閉在光纖波導中這種天然地全封閉性光路一旦 形成，無需另加隔離措施即可自成體系，實現與外界環(huán)境地隔離由于光纖細小并 具有很好地柔性，光路可盤繞和沿細小地管道穿行，因此，光纖激光器能夠在比較 惡劣地環(huán)境下工作，輸出光可穿過狹小地縫隙或沿細小地管道進行遠距離傳輸.這 些特點在工業(yè)應用中優(yōu)勢巨大，激光器不但能適應比較惡劣地工作環(huán)境，而且可使 激光器遠離出光點，可將激光引入到以前很難到達地地方，可非常容易移動和改變 出光點，實現多加工點共用一臺激光器，可使激光加工設備地設計具有更高地靈活4）光路具有免維護特性如前所述，光纖激光器地光路全部由光纖和光纖元件構成，光纖和光纖元件之 間采用

15、光纖熔接技術連接，因此，光路一旦完成，即形成一個整體，實踐證明，這樣形 成地連接結構和連接參數將長期保持穩(wěn)定，如果光纖和光纖元件本身能有長期穩(wěn) 定性,整個光路將長期穩(wěn)定，無需維護.需要特別指出地是，這種免維護地特性并非 不可維護和維修，在需要地情況下，整個光路地維護和維修同樣可以進行，因此,與 氣體和固體等激光器需要頻繁地維護和維修相比，光纖激光器光路地免維護特性 異常優(yōu)異，而與半導體激光器地不可維修性相比，光纖激光器地可維護性和可維修 性又表現出明顯地優(yōu)勢.5）單條寬發(fā)光區(qū)長壽命多模泵浦激光器光纖激光器地光路具有長期地穩(wěn)定性，因此，需要與之匹配地長壽命泵浦激光器才能獲得整機地長壽命發(fā)展低價格

16、地長壽命多模泵浦激光器是發(fā)展長壽命光 纖激光器地重點.單條寬發(fā)光區(qū)多模泵浦激光器就是根據這一理念而設計地一種 長壽命半導體泵浦激光器，其條寬一般取100mm,基本上已接近105/125多模光纖 地纖芯直徑，其有源區(qū)條寬是列陣半導體激光器地幾十倍，對單一發(fā)光條來說，同 樣輸出功率和同樣注入電流情況下，其光功率密度和電流密度將降低幾十倍，有源 區(qū)溫度也會有所降低，在忽略其他因素地前提下，單條寬發(fā)光區(qū)半導體泵浦激光器 降低失效率地作用是異常顯著地.目前尾纖輸出功率大于5W地單條寬發(fā)光區(qū)半 導體泵浦激光器地平均無故障工作時間已經達到50萬小時以上.6）壽命長從前面地討論我們已經知道，采用單條寬發(fā)光區(qū)半

17、導體泵浦激光器作為光纖 激光器地泵浦源，光纖激光器將具備長壽命地特點，因此，制作具有幾十萬小時地 長壽命光纖激光器在技術上已經可行.7）體積小重量輕光纖激光器由于光路可盤繞，光路占用空間較小，在采用單條寬發(fā)光區(qū)半導體 泵浦激光器做泵浦源地情況下，泵浦激光器可分散安裝，具有很好地散熱特性，在 安裝密度不高地情況下，采用風冷即可，在安裝密度較高地情況下，只需少量通水 即可滿足散熱要求，因此，光纖激光器地體積比同樣輸出功率地氣體和固體激光器 系統(tǒng)更小，重量更輕.8）輸出功率大光纖激光器輸出功率在突破100W以后，輸出功率水平飛速增長，只用了三年 多時間，達到地輸出功率水平已經超過了 YAG固體激光器

18、和CO2氣體激光器用 三十多年達到地輸出功率水平，目前光纖激光器地實驗室水平已經超過 10萬瓦,3 萬瓦地光纖已經商品化，已經銷售地光纖激光器，輸出功率為17000W.可以預見，光 纖激光器將成為長時間連續(xù)輸出功率最大地激光器.9）節(jié)水節(jié)電節(jié)成本光纖激光器具有優(yōu)異地熱性能，電光效率較高,節(jié)水節(jié)電，尤其重要地是可長 期免維護使用，可節(jié)約大量維護經費和時間，提高工作效率.10）造價不斷降低光纖激光器地光路全部由光纖和光纖元件構成，由于原料易得,在技術、產品 和市場成熟之后，可大幅度降低成本除光路部分外，半導體泵浦激光器是構成光 纖激光器成本地主要部分，從光通信地發(fā)展歷史和經驗來看，隨著技術地發(fā)展和

19、市 場容量地不斷擴大，大幅度降低半導體泵浦激光器地成本將成為必然趨勢 光纖激光器地類型按照光纖材料地種類，光纖激光器可分成一下幾種類型： 一：晶體光纖激光器 工作物質是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激 光器和nd3+: YAG單晶光纖激光器等；二:非線性光學型光纖激光器 主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里 淵散射光纖激光器；三：稀土類摻雜光纖激光器光纖地基質材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，而制成光纖激光器；四：塑料光纖激光器向塑料光纖芯部或包層內摻入激光染料而制成光纖激光纖激光器地迅速發(fā)展是基于近年來地光纖技術 拉晶體光纖技術、稀土摻 雜光纖技術、單摸低損耗光纖和光纖耦

20、合技術等 和大功率半導體激光技術地突 破性進展.特別是采用半導體激光二極管（ld）作為泵浦源，以其小體積和高效率 為光纖激光器地實用化奠定了基礎.目前，光纖激光器已進入實用化階段，已見有連續(xù)輸出功率幾千瓦，峰值功率 幾萬千瓦.夏江珍 著光纖激光器若干關鍵技術研究博士論文/夏江珍著；方博士論文2003聶秋華著光纖激光器和放大器技術專著/聶秋華著專著1997趙東暉 著光纖光柵與光纖激光器地研究=Research on fiber Bragg gratingsand fiber laser博士論文1999四、目前發(fā)展狀況以及應用領域目前光纖激光器地實驗室水平已經超過 10萬瓦,3萬瓦地光纖已經商品化

21、， 已經銷售地光纖激光器，輸出功率為17000W可以預見，光纖激光器將成為長時間 連續(xù)輸出功率最大地激光器自1999年首次獲得100W地輸出功率至今，光纖激光器地輸出功率得到了迅速提高，單模輸出功率已達到2.5 kW.除日本2001年發(fā)表地光纖盤形激光器(摻 釹)外，其他均為摻鐿或共摻鐿或釹地雙包層光纖激光器.美國IPG(photonics)公司推出了多模輸出功率20 kW地產品,而輸出功率100 kW地產品正處于接受訂貨 地階段.人們認為，連續(xù)振蕩輸出功率地熱損傷極限2 GW/cm2,而現在所達到地 功率是通過控制光纖結構，增加單模體積實現地.與CO2激光器和YAG激光器相 比,光纖激光器是

22、一種結構緊湊且體積小地激光裝置,在10 kW地輸出功率下，芯徑為200!m地光纖聚光性能優(yōu)異，且無熱損傷.若能提高LD地功率和亮度,則以工 業(yè)應用為開端，可制造出輸出功率從100 kW到兆瓦級地高功率光纖激光器.高功率激光器現已廣泛應用于金屬(10 cm)切割、焊接和原型復制等加工領 域.利用高功率和高亮度地光纖激光器進行加工時，即使加工對象脫離光學系統(tǒng)也 能進行理想加工.過去工業(yè)界認為，激光加工機因價格昂貴而無法用于工業(yè)領域. 如今這種觀念發(fā)生了變化，激光加工機已廣泛應用于工業(yè)領域，如用于需要輕便并 進行高強度加工地汽車行業(yè)，對重、厚、長和大物體厚鐵板地切割加工，以及為進 行補充加工或節(jié)省人

23、工費而進行地精加工等領域.與過去地熔斷方法相比，這種可進行高精度加工地激光加工機具有綜合性價比優(yōu)異地特點，因此得到了廣泛應用.下圖為激光機工領域與功率圖*rPolym&fHarder*wektmg少垃何gj叭Oep-pefieLrationwold IngNon-malMetalPrintingcutbr)9cuitnglechnoiajy IPG.嚴 2002嗆mngDrirmgG 祝，2002Drtft&obon ixnrt 彳I41 JDSU SP. IPG. *999 IPG. 2000LI !>UOHWO-RtiGxiusiJflVkVM9FUmh pow

24、71;f 恢Mt辭.iiiibi- *£-pLi； arum a sib «isb>C> JKmi五、主要公司及其產品IPG公司-大功率光纖激光器地代表YLP系列是專為OEM應用而設計地一款免維護 MOPFA和Q-開關地脈沖摻鐿光纖 激光器，這例激光器通過一條柔軟地帶有金屬護套地單模光纖 ，將107Onm地高功 率激光直接引入集成設備（各種切割、焊接、打標等設備），經過準直擴束，再聚焦后地光斑尺寸可以幾個微米或更小.這束接近衍射極限地超高質量地激光可以 用于打標、鉆孔、或加工不同地材料.YLP系列對于脈沖寬度、重復頻率、和峰 值功率可以提供一個非常寬范地選擇.應用領域：電子五金、手機按鍵、醫(yī)療器件、產