激光器的应用——光纤激光器

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1、 光电子论文 *学院 *专业 *班 *号 *激光器的应用光纤激光器 近几年，光纤激光器因其具有优秀的光束质量、非常高的功率和功率密度、易于冷却、高的稳定性和可靠性等多方面的长处引起了研究人员和应用者日益浓厚的爱好，已经在和将在通信、医疗、军事等领域大展身手,并在多种应用场合取代目前常用的气体和固体激光器。光纤激光产品的浮现以及性能的不断改善, 必将加快激光在多种领域的应用，从而提高工业生产水平和人们的生活质量。在光纤纤芯中掺入稀土离子,泵浦光通过光纤时,纤芯中的稀土离子吸取泵浦光，跃迁到激光上能级，产生粒子数反转。反转后的粒子在 自发辐射光子或者特别注入的光子诱导下以受激辐射跃迁到激光下能级,

2、同步发射出与诱导光子相似的光子,这样的过程雪崩般发生,于是发射出激光。这就是光纤激光器的基本原理。选择在中掺稀土离子构成光纤激光器，部分因素就是稀土离子的吸取范畴正好与半导体激光器的辐射围重叠，因而能以便地采用成本低廉的、工艺成熟的半导体激光器作为泵浦光源。光纤激光器的基本构造由增益介质,谐振腔与泵浦源构成。增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤放置在两个反射率通过选择的腔镜之间,泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入光纤，经准直光学系统和滤波到输出激光。从理论上来说,只有泵浦源和增益较多光纤是构成光纤激光器的必须组件，而谐振腔并非必不可缺的组件。谐振腔的选模和增长增益介质长度的作用在光纤激光

3、器中是可以不用的, 因长光纤自身可以非常长，从而获得很高的单程增益 ,而光纤的波导效应又可以起到选模的作用。但实际应用中人们一般但愿使用较短光纤，因此多数状况下采用谐振腔，以引入反馈。光纤激光器种类繁多,按照不同的原则可以提成若干种类。按输出光波构成分类:单波长光纤激光器和多波长光纤激光器;按输出光波模式分类：单模光纤激光器和多模光纤激光器；按输出光波波段分类:S波段(1280130nm）、C波段（1528155nm）和-波段（5162nm)；按光纤街面构造分类:单包层、多包层和光子晶体光纤激光器；按谐振腔构造分类：F-腔、WDM谐振腔、光纤光栅谐振腔等;按工作机制分类:上转换光纤激光器和下转

4、换光纤激光器；按工作方式分类:脉冲激光器和持续激光器;按增益介质分类:稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶体光纤激光器和塑料光纤激光器。所谓光纤激光器就是用光纤作激光介质的激光器，164年世界上第一代玻璃激光器就是光纤激光器。由于光纤的纤芯很细,一般的泵浦源（例如气体放电灯）很难聚焦到芯部。因此在后来的二十余年中光纤激光器没有得到较好的发展。随着半导体激光器泵浦技术的发展，以及光纤通信蓬勃发展的需要,1987年英国南安普顿大学美国贝尔实验室实验证明了掺铒光纤放大器（EDFA)的可行性。它采用半导体激光光泵掺铒单模光纤对光信号实现放大，目前这种ED已经成为光纤通信中不可缺少的重要器件

5、。由于要将半导体激光泵浦入单模光纤的纤芯(一般直径不不小于1um），规定半导体激光也必须为单模的,这使得单模EDF难以实现高功率，报道的最高功率也就几百毫瓦。 为了提高功率,188年左右有人提出光泵由包层进入。初期的设计是圆形的内包层，但由于圆形内包层完美的对称性，使得泵浦吸取效率不高，直到九十年代初矩形内包层的浮现,使激光转换效率提高到50%，输出功率达到瓦。1999年用四个45瓦的半导体激光器从两端泵浦,获得了10瓦的单模持续激光输出。近两年,随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展,光纤激光器的输出功率逐渐提高，目前采用单根光纤，已经实现100瓦的激光输出。 近期,随着光

6、纤通讯系统的广泛应用和发展,超迅速光电子学、非线性光学、光传感等多种领域应用的研究已得到日益注重。其中,以光纤作基质的光纤激光器，在减少阈值、振荡波长范畴、波长可调谐性能等方面,已明显获得进步,是目前光通信领域的新兴技术,它可以用于既有的通信系统,使之支持更高的传播速度，是将来高码率密集波分复用系统和将来相干光通信的基本。目前光纤激光器技术是研究的热点技术之一。 光纤激光器由于其具有绝对抱负的光束质量、超高的转换效率、完全免维护、高稳定性以及体积小等长处，对老式的激光行业产生巨大而积极的影响。最新市场调查显示：光纤激光器供应商将争夺固体激光器及其她激光器在若干核心应用领域的市场份额，而这些市场

7、份额在将来几年将稳步看涨。到，光纤激光器将至少占领工业激光器28亿美元市场份额的四分之一。光纤激光器的销售量将以年增幅愈3%的速度攀升，从的1.4亿美元增至的6.8亿美元。而同期，工业激光器市场每年增幅仅9,达到8亿美元。光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有如下优势: (1）玻璃光纤制导致本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势； (2)玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽导致吸取带较宽的缘故; (3)玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低,因此转换效率较高,激光阈值低；（4）输出激光波长多：这是由于稀

8、土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多;（5）可调谐性:由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽；（6)由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的长处，这是老式激光器无法比拟的; (）光纤导出,使得激光器能容易胜任多种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简朴；（8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度； （9)不需热电制冷和水冷,只需简朴的风冷;(10）高的电光效率:综合电光效率高达20以上，大幅度节省工作时的耗电,节省运营成本； (11)高功率，目前商用化的光纤激光器是六千瓦。光纤激光器的应用：(1)脉冲光纤激光器以其优良的光束

9、质量，可靠性，最长的免维护时间,最高的整体电光转换效率,脉冲反复频率，最小的体积,不必水冷的最简朴、最灵活的使用方式，最低的运营费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。 一套光纤激光打标系统可以由一种或两个功率为25W的光纤激光器，一种或两个用来导光到工件上的扫描头以及一台控制扫描头的工业电脑构成。这种设计比用一种50激光器分束到两个扫描头上的方式高出达4倍以上的效率。该系统最大打标范畴是1mm*25m,光斑大小是5um,在全标刻范畴内绝对定位精度是+/-10um。00m工作距离时的聚焦光斑可小到15um。（2）光纤激光器的材料解决是基于材料吸取激光能量的部位被加热的热解决过程。1u

10、左右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸取。 （3）光纤激光成型或折曲是一种用于变化金属板或硬陶瓷曲率的技术。集中加热和迅速自冷切导致在激光加热区域的可塑性变形，永久性变化目的工件的曲率。研究发现用激光解决的微弯曲远比其她方式具有更高的精密度，同步，这在微电子制造是一种很抱负的措施。 （4)随着光纤激光器的功率不断攀升，光纤激光器在工业切割方面得以被规模化应用。例如：用迅速斩波的持续光纤激光器微切割不锈钢动脉管。由于它的高光束质量,光纤激光器可以获得非常小的聚焦直径和由此带来的小切缝宽度正在刷新医疗器件工业的原则。 由于其波段涵盖了1m和m两个重要通信窗口，因此光纤激光器在光通信领域拥

11、有不可替代的地位,大功率双包层光纤激光器的研制成功使其在激光加工领域的市场需求也呈迅速扩展的趋势。光纤激光器在激光加工领域的范畴和所需性能具体如下:软焊和烧结：5000W；聚合物和复合材料切割：20W-1kW;去激活：300W-1k；迅速印刷和打印:20;金属淬火和涂敷:2-kW;玻璃和硅切割:500 W-kW。此外,随着紫外光纤光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在紫光、蓝光、绿光、红光及近红外光的波长上转换光纤激光器已可以作为实用的全固化光源而广泛应用于数据存储,彩色显示,医学荧光诊断。远红外波长输出的光纤激光器由于其构造机灵紧凑，能量和波长可调谐等长处,也在激光医疗和生物工程等领域得到应用。总之，光纤激光器作为第三代激光技术的代表,具有其她激光器无可比拟的技术优越性。但是，我觉得,在短期内,光纤激光器将重要聚焦在高品位用途上随光纤激光器的普及，成本的减少以及产能的提高,最后将也许会替代掉全球大部分高功率CO和绝大部分YG激光器。