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五、 光纤激光器及其应用

五、 光纤激光器及其应用. 目录. 引言 光纤激光器的基本结构及主要特点 高功率光纤激光器 用于光纤通信的几种新型光纤激光器 光纤激光器的应用 展望 晶体光子光纤激光器. 一、引言. 激光器问世不久，美国光学公司（ American optical corporation） 的 Snitzer 和 Koester 于１９６３年首先提出光纤激光器和放大器的构思。１９６６年高锟和 Hockham 提出了光纤通信的基本概念。１９７０年后光纤通信经历研究开发阶段（１９６６－１９７６），实用化阶段（１９７７－１９８６）迅速进入１９８６年以后的大规模光纤通信建设阶段。.

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五、 光纤激光器及其应用

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  1. 五、光纤激光器及其应用

  2. 目录 • 引言 • 光纤激光器的基本结构及主要特点 • 高功率光纤激光器 • 用于光纤通信的几种新型光纤激光器 • 光纤激光器的应用 • 展望 • 晶体光子光纤激光器

  3. 一、引言 激光器问世不久，美国光学公司（American optical corporation）的Snitzer 和Koester于１９６３年首先提出光纤激光器和放大器的构思。１９６６年高锟和Hockham提出了光纤通信的基本概念。１９７０年后光纤通信经历研究开发阶段（１９６６－１９７６），实用化阶段（１９７７－１９８６）迅速进入１９８６年以后的大规模光纤通信建设阶段。

  4. 由于光通信的迅猛发展，光纤制造工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟，为光纤激光器和放大器的发展奠定基础。英国的南安普敦大学和通讯研究实验室、德 国汉堡技术大学、美国的Polaroid Corporation,Bell实验室，日本的ＮＴＴ、Ｈｏｙａ均在光纤激光器研究中取得许多重要成果。

  5. 最近美国IPG Photonics公司异军突起，不仅展示Ｓ，Ｃ，Ｌ　Bands 的各种光纤放大器，高功率的ＥＤＦＡ，Raman光纤激光器和双波长Raman光纤激光器，更引起国际关注的是该公司已推出掺Ｙｂ高功率光纤激光器，其输出功>７００Ｗ，光束发散角<1.4mm*mrad，单模输出。

  6. 泵浦用的半导体二极管寿命>１００Khrs.可连续和脉冲运转，空气冷却。在焦距１５０mm下光斑直径３０μm。其性能已明显优于半导体激光泵浦固体激光器和CO2激光器。从发展态势看，光纤激光器不仅在光纤通信领域有重要的应用而且迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展，这是一类已经取得技术突破，正在向技术的广度和深度迅速发展的、有重要应用前景的激光器。

  7. 谐振腔 二、光纤激光器的基本结构及主要特点 准直光学系统 工作物质 (增益光纤) 耦合光学系统 LD 泵浦源 谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环 光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同。

  8. 光纤激光器大致可分为三类: • 稀土元素掺杂光纤激光器 掺杂离子可为Nd3+，Er3+，Yb3+，Tm3+等，基质可以是石英玻璃，氟化锆玻璃，单晶等 • 染料光纤激光器 纤芯、包层或二者加入激光染料 • 非线性光纤激光器 利用光纤中的SRS，SBS非线性效应产生波长可变换的激光。

  9. 光纤激光器的主要特点 • 光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点； • 由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统集成、性能价格比高；

  10. 与固体、气体激光器相比：能量转换效率高、结构紧凑、可靠性高、适合批量生产；与固体、气体激光器相比：能量转换效率高、结构紧凑、可靠性高、适合批量生产； 与半导体激光器相比：单色性好，调制时产生的啁啾和畸变小，与光纤耦合损耗小。

  11. 内包层 光纤芯 激光输出 保护层 外包层 泵浦光 1.双包层 光纤激光器 双包层掺杂光纤的构形如下图所示

  12. 双包层掺杂光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。 在双包层结构中，泵浦光的吸收率和内包层的几何形状和纤芯在包层结构中的位置有关。此外，泵浦光被掺杂稀土离子的吸收率正比于内包层和外包层的面积比。

  13. 保护层 外包层 内包层 纤芯 圆形内包层双包层 光纤横剖面 下面介绍几种不同几何结构的双包层光纤，其结构如下图所示： D型内包层双包层光纤横剖面

  14. 纤芯 内包层 外包层 保护层 正方形内包层 双包层光纤横剖面 偏心型内包层 双包层光纤横剖面 长方形内包层 双包层光纤横剖面 星型内包层 双包层光纤横剖面

  15. 圆形、偏心、D形、矩形内包层的双包层光纤吸收效率比较圆形、偏心、D形、矩形内包层的双包层光纤吸收效率比较

  16. 加州圣何塞光谱二极管实验室的双包层光纤激光器其连续输出功率大于110W。光-光转换效率达58.3%、实验装置如下图所示:

  17. 其主要参数为：发射波长1120nm，最大输出功率110W，光束质量（M2）1.1~1.7;包层光纤：170μmX330μm矩形内包层，单模纤芯直径9.2μm。

  18. 美国IPG公司相继推出输出功率为700W、2KW和10KW的掺Yb双包层高功率光纤激光器产品。为了提高光纤激光器的输出功率，可采用多组宽带区多模半导体二极管作为泵浦源，其基本结构如图所示

  19. V形槽泵浦方式

  20. 泵浦方式

  21. 微棱镜泵浦方式

  22. 嵌入镜泵浦方式

  23. 光栅侧面泵浦方式

  24. IPG公司光纤激光器泵浦激光二极管预计寿命

  25. IPG公司已经推出的部分产品

  26. 国内研究的最新成果 北京交通大学196W激光输出

  27. 国内研究的最新成果 清华大学研制的最大714W的光纤激光器

  28. 国内研究的最新成果 光纤长21m,内包层D形，NA0.46,芯径38微米，NA0.08 上海光机所研制的最大714W的光纤激光器

  29. 国内研究的最新成果

  30. 2.任意形状光纤激光器 双包层泵浦技术取得良好的效果，但由于受包层截面积的限制，影响泵浦功率的进一步提高。日本植田提出“任意形状激光器”（不同光纤结构的光纤激光器）的方案。该方案以掺杂光纤构成圆盘状或圆柱状等不同的光纤介质，泵浦光从边缘注入，这样泵浦光的耦合能利用的面积比纤芯端面和包层端面大得多。

  31. 泵浦光 掺杂光纤 圆盘主体结构 低折射率层 以平面状为例，用折射率与纤维包层相同的材料嵌入光纤的间隙，表面作成光学表面，使泵浦光在圆盘内全反射。

  32. 下图表示各种形状：盘状、片状、圆柱状、环状、棒状等不同结构。

  33. 输出 耦合波导 光纤盘 输入 LD 冷却板

  34. 四、 光纤激光器在光纤通信领域中的应用 光纤激光器的输出波段可覆盖380~ 3900nm，可用于光通信、光谱研究与测量，光学数据存储，工业加工与在线测量，生物医学与环境探测。

  35. 在光纤通信两个主要窗口1.3μm和1.5μm以及从S，C到L Bands特别需要低噪声、高功率、窄线宽的光源。另可以放大宽波段信号的喇曼放大器需要大功率的泵浦源，双包层技术为其提供良好的技术基础。

  36. 光纤激光器是目前光纤通信研究最为活跃的研究课题之一。光纤激光器不仅能够产生连续激光输出，而且能够实现ps～fs超短光脉冲的产生，是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础，在未来高码率通信系统中具有不可替代的重要地位，是目前激光技术领域的研究前沿之一。

  37. 光纤激光器的最新进展 ： （1）连续光纤激光器 a. 基于Raman放大的光纤激光器 各种Raman光纤激光器的结构大体相似，都采用布拉格光栅作为谐振腔的反射镜，并根据输出需要用布拉格光栅对组成几级Stocks分量的谐振腔。增益介质可以是掺稀土光纤，也可以是一般的石英光纤。

  38. b. 基于超连续谱的光纤激光器：产生用于WDM的多信道信号脉冲。 超连续谱的产生主要有以下两种方法：压缩超短光脉冲所得到的宽频谱和利用器件的非线性展宽脉冲的频谱。现在最流行的、报道得也最多的是利用光纤或光放大器的非线性产生超连续谱。其中利用光纤产生宽连续谱最为经济实用。

  39. 例如，在两头粗中间拉细的特种光纤中（见下图），产生的连续谱就很宽，可调谐波长范围为500nm~1600nm。泵浦源端的光纤长为3cm，拉细光纤长度为15cm，尾纤输出端为15cm。该连续谱在后段标准电信光纤中输出Raman脉冲，可调谐波长幅度达200nm ，Raman脉冲波长调谐范围为1400nm~1600nm。脉冲频谱带宽为20nm，相当于脉宽130fs的边带极限脉冲。当改变输入入射功率，则Raman孤子波长也发生改变。这种激光器就是以改变泵浦功率来改变波长。

  40. Yb fiber Laser taper waist supercontinuum 1550nm Raman soliton untapered fiber untapered fiber 利用特种光纤产生超连续谱原理图

  41. （2）锁模光纤激光器 a. 基于非线性光环路镜的光纤激光器：产生高重复率超短压缩脉冲和亮暗脉冲转换。 下图所示的是改进的NOLM光纤激光器，能进行亮暗脉冲转换，能选择脉冲波长，能产生高重复率的信号。例如主环频率f为19.4kHz时，控制脉冲调制频率为1145MHz，DFB激光器驱动频率失谐在1/4f，则可得到4.58GHz重复率的输出脉冲。

  42. DFB FPF 10km DSF B 1 EDFA PC2 PC1 A Coupler 2 PC3 EDFA NOLM光纤激光器（PC为偏振控制器，FPF为Fabry-Perot 滤波器）

  43. b. 使用保偏光纤的可调光纤激光器 可调谐波长间隔的多波长输出的光纤激光器，其原理图见下图。在PMF的4m处施加压力，则可得到9个信道输出，波长调谐范围为1548.2nm~1559.9nm，波长间隔为1.46nm。峰值功率漂移在6dB内。当施加压力的位置在8m处，激光器输出14个信道波长，波长间隔为0.73nm。

  44. Spectrum analyzer EDF Liquid N2 WDM PBS FRM coupler coupler PMF 10m 1480nm stress pumping Pol Pol PC 45。 0。 可调波长间隔的多波长光纤激光器原理图

  45. 980/1550 WDM EDF 980nmLD FBG FLM Output 2 Output 1 光纤激光器实验装置示意图

  46. 抽运功率为20mw时，1550nm波长的激光输出

  47. 五、光纤激光器的应用 高功率光纤激光器（HPFL）与目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半导体泵浦YAG激光器相比，表现出突出的优点，特别是电光转换效率高，光束质量好，泵浦源寿命长，使用方便，环境适应能力强，空气冷却等优点，使它在激光应用技术领域中呈现出美好的应用前景。

  48. 表1 几类激光器性能的比较

  49. 光纤激光器可用于材料加工和制造 各种不同的材料加工所需Yb光纤激光器的功率具体如下：如金属切割为500w~2kw;金属焊接和硬焊为500w-20kw;金属淬火和涂敷为2-20kw；玻璃和硅切割为500w-2kw;聚合物和复合材料切割为200w-1kw;快速印刷和打印为20w-1kw;软焊和烧结为50-500w；消除放射性沾染为300w-1kw。

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