（光学专业论文）光纤激光器打标的实验研究.pdf

摘要 光纤激光器是国际上近年来发展的一种新型固体激光器，其输出的激光模式非常 好，聚焦后的光斑非常理想，具有直径小、圆度高和轮廓规则清晰等特点，同时由于激 光重复频率比传统的激光器高很多，因此把光纤激光器应用在对标记深度、光滑度、精 细度要求较高的领域，可以完成高质量的打标工作。 本论文综述了光纤激光器的基本理论，对光纤激光器的调q 理论和锁模理论进行了 研究，分析了光纤激光器用于激光打标的优势，并针对光纤激光器的单模输出进行了 较深入的讨论。从激光与物质相互作用的机理出发，讨论了影响激光吸收率的因素， 为实验提供了理论基础。最后，研究了激光打标系统内部各器件的原理及作用，进行 了对于半导体元器件( i c ) 的激光打标实验，分析了影响激光聚焦光斑直径的因素， 并计算了打标时的激光功率密度。重点分析了激光功率、扫描速度、重复频率等参数 对标记质量的影响。 关链词：光纤激光器激光打标单模激光功率 f i b e fl a s e ri san e wt y p eo fs o l i d s t a t el a s e rw i t hw i d e l yi n v e s t i g a t i o ni nr e c e n ty e a r s i t h a sg o o db e a mq u a l i t ya n di d e a lf o c u s i n gs p o ts i z e ，t h ec h a r a c t e d s t i co ft h ef i b e rl a s e rs p o t i n c l u d es m a l ld i a m e t e r ，h i g hr o u n d n e s sa n dr e g u l a rc o n f i g u r a t i o n e t c ，m o r e o v e rt h e r e p e t i t i o nf e q u e n c yo ff i b e rl a s e ri sm u c hh i g h e rt h a nt r a d i t i o n a ll a s e r , s o i f w ea p p l yf i b e r l a s e ri nt h ed o m a i nt h a th a sh i g hr e q u i r e m e n to fm a r k i n gd e p t h 、s m o o t h n e s s 、t r a c t a b i l i t y , h i g hq u a l i t ym a r k i n gj o bc a nb eo b t a i n e d i nt h et h e s i s a n t h o rf i r s ts u m m a r i z e st h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ef i b e rl a s e r , t h e l l d i s c u s s e st h eq s w i t c h e df i b e rl a s e ra n dm o d e - l o c k e df i b e rl a s e rt h e o r e t i c a l l y a d v a n t a g e so f f i b c rl a s e rm a r k i n ga r ea n a l y z e da n ds i n em o d eo u t p u to ff i b e rl a s e ri sa l s od i s c u s s e di n d e t a i l m e a n w h i l eb a s eo nm e c h a n i s mo fl a s e r - m a t e r i a li n t e r a c t i o n , w ea n a l y z et h ef a c t o r w h i c hi n f l u e n c el a s e ra b s o r p t i o n ，t h ea n a l y s i sp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i st od ot h ef o l l o w i n g e x p e r i m e n t f i n a l l y ，i n t e r n a lc o m p o n e n t so p e r a t i n gp r i n c i p l ea n df u n c t i o no fl a s e rm a r k i n g s v s t e ma r ea n a l y z e da n dm a r k i n ge x p e r i m e n tw i t hi ca i ef i n i s h e d w ea n a l y z et h ef a c t o r w h i c hi n f l u e n c ef o c u s i n gl a s e rs p o td i a m e t e r , l a s e rm a r k i n gp o w e rd e n s i t yi sp r e s e n t e d 1 1 i e e f f e c t so ft h el a s e ro u t p u tp o w e r , p u l s ef r e q u e n c ya n ds c a n n i n gs p e e da ”a l s oi n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：f i b e rl a s e r l a s e rm a r k i n gs i n g l em o d e l a s e ro u t p u tp 0 0 e r 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，光纤激光器打标的实验研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 童! 坠j 幽年丝月垄日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：堡坠 团年旦月丛日 指导导师签名乒五斟年上月么日 第一章绪论 激光打标是利用高能量密度的激光束对目标作用，使目标表面发生物理或化学的变 化，从而获得可见图案的标记方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速 汽化，形成凹坑。随着激光束在材料表面有规律地移动同时控制激光的开断，激光束 也就在材料表面加工成了一个指定的图案。激光打标与传统的标记工艺相比有明显的 优点”： 1 标记速度快，字迹清晰、永久。 2 非接触式加工，污染小，无磨损。 3 操作方便，防伪功能强。 4 可以做到高速自动化运行，生产成本低。 光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性。 光纤激光器将半导体激光器泵浦技术和双包层光纤掺杂制造技术有机结合起来，吸收两 者优势，将高功率、低亮度、廉价的多模l d 光通过泵浦双包层光纤结构，实现高亮度、 衍射受限的单模激光输出，大大提高了耦合及转换效率，增加了输出激光功率。它以散热 性能好、转换效率高、激光阈值低、可调谐范围宽、光束质量好、免维护等显著优势， 受到各国科技工作者的重视。 在光纤激光器出现以前，激光打标系统的激光源一般是连续或脉冲二氧化碳激光 器，n d ：y a g 激光器，光纤激光器在九十年代末出现后，很快被应用到激光打标系统 上，用单模光纤传输激光束，可以聚焦成极小的光斑，能够打出更精细的图案或文字， 而激光功率仅需要3 1 0 瓦。与传统激光打标机光源相比，光纤激光器是完全风冷式的。 不需要相关的水冷机，冷却水管道和温控仪等配套设备，体积及能耗大为缩小，使得 使用成本远低于传统激光光源的打标系统，具有很大的市场潜力。 1 1 纤激光器的研究进展和应用前景 目前，高功率光纤激光器以其所具有的优点，以及重要的应用前景，吸引了国内外众 多的研究单位的注意。俄罗斯国家科学院，英国的s p i 公司和德国的i p g 公司，英国南安普 顿大学等研究机构对此开展了大量研究。 s d l 公司于1 9 9 9 年6 月报道利用f o p 腔结构实现了1 1 0 w 输出的光纤激光器，实验 采用双色镜作为前端腔镜，另一端为抛光处理的光纤端面，提供4 的菲涅尔反射作为耦 合输出镜，转换效率高达5 8 。2 0 0 2 年i p g 公司采用光纤光栅来选择输出波长，已经 实现7 0 0w 的连续输出，并且有2 0 0 0w 产品销售。南安普敦大学也于2 0 0 3 年宣布掺镱光 纤输出2 7 0 w ，波长1 0 8 0 衄单模激光，使用铒镱共掺双包层光纤可以输出1 0 3 w 激光， 波长1 5 6 5n m 。在2 0 0 4 年初的p h o t o n i c sw e s t 2 0 0 4 上，s p i 报告了他们的1 千瓦的光纤激 光器，引起轰动。他们所用的光纤为内包层为d 形的双包层光纤，纤芯直径为约s 0 a m ， 单根光纤就获得了千瓦级的激光功率输出。最近i p g 公司出售给德国国家材料研究所的 y l r - 2 0 0 0 0 型光纤激光器，输出功率2 0 k w ，径2 0 0 u m ，b p p l l m m m r a d , 是当前同类 固体激光器中性能最好的”1 。 国内也有很多科研单位进行了大功率光纤激光器的研究工作。南开大学利用我国 自行研制的双包层掺镱光纤实现斜率效率8 6 5 ，激光输出6 5w 的光纤激光器；上 海光机所也获得了功率4 9 w ，波长为1 1 0 0n n l 的连续激光输出。另外，华中科技大 学，西安光机所等单位也有这方面的报道。国内在高功率光纤激光器领域，大多处于 实验研究阶段，要实现产业化、商品化，还有许多关键技术需要解决“，其中包括： 1 、大功率多模激光二极管光纤模块泵浦源的制作技术； 2 、稀土掺杂双包层光纤制作技术； 3 、双包层光纤上光纤光栅紫外写入技术； 4 、多模光纤低损耗熔接技术。 近年来，随着双包层光纤中各种掺杂技术的不断完善，功率光纤激光器的研究取 得了长足进展。光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格，在光纤通信、工业加工、 医疗、军事等领域取得了日益广泛的应用。 在通信领域光通信正不断向全光网络发展，应用最多而且对光纤激光器推动最大 的就是全光通信网络。光纤激光器提供的1 3 0 , u r n 和1 5 5 t m 波段的激光，它们处于光 通信的两个低损耗窗1 3 ，并且1 5 卸m 的光纤激光器可以用半导体激光器作为泵浦源。 在工业领域光纤激光器在工业加工方面具有巨大的潜在市场。例如在图形绘制工业中， 高功率光纤激光器可用于热内鼓直向平板图像系统，其要求高功率和受限衍射束质量。 在微机械领域，这种技术可以用在焊口切槽、打弯、准直、解压、焊接及热处理等方 面，尤其是应用在磁、光学储存、半导体及电子工业中。在医疗领域，目前光纤激光 器用作止血和手术刀已出现在许多内外科手术中，并逐渐被广大医学工作者所认同。 高功率光纤激光器的引进，使组织脱落和光致凝结手术的时间大大缩短。在眼科手术中， 掺t k 离子c w 高功率光纤激光器能使角膜成形手术成功率更高，同时还可以治疗远 视、近视等眼科疾病。在心血管手术中，利用光纤的柔韧性和光纤激光器光束质量好， 可以使光纤进入人体内排除肿瘤和各种淤积物。在军事领域高功率、高质量激光武器 一直是军事领域防御和进攻武器所研究的重点，高功率光纤激光器以其高亮度、小照 射面积、体积小等优点越来越受到重视。另外，在定位、测距、遥感、跟踪制导和模 拟打靶等工作中光纤激光器作为一种有效的工具也备受青睐。光纤激光器被快速的应 用于打标，特别是半导体工业中的塑料打标及陶瓷封装领域。与最初用于光刻的激光二 极管泵浦的固体激光器相比，它有着更高的光束质量、功率稳定性以及耐用性。 光纤激光器自问世以来，科学家对其激光特性进行了大量研究，提高了各种特性 功能。高功率、高效率半导体激光器集成技术的成熟及掺杂光纤制作技术的发展，特 2 别是双包层光纤的研制使高功率激光输出成为可能。在不久的将来，光纤激光器将在 各个领域中发挥重要作用，显示出其特有的优势。 1 2 激光打标的现状和发展趋势 激光打标机是综合激光、光学、精密机械、电子和计算机等技术于一体的机电一 体化设备。它主要由激光器、光学系统和控制器组成，其中控制器是核心部件。在激 光打标方式中，现在常用的有掩模方式和扫描方式。 掩模式激光打标的原理是用大幅面的激光光束通过由特殊材料制成的镂空的字 模照射在材料表面形成相应的标记，这种打标方式的打标速度快，但打不同的标记需 要更换不同的字模，并且打标过程中大部分的光被字模挡掉造成不必要的浪费，这种 达标方式正在逐渐被淘汰”。 扫描方式是用计算机控制扫描振镜使高度聚焦的激光束在工件上移动扫描进行 打标。矢量扫描方式最大的特点是用矢量( 有向线段) 来表示图形和文字，这种扫描 方式采用了计算机中高级图形系统对图形进行处理的方式，具有作图效率高、图形精 度高、可无失真和无变形的任意放大和缩小图形的功能。矢量方式的采用极大地提高 了激光打标机的打标质量和打标速度。 目前，国际激光打标界已经公认：在众多激光打标机中，振镜式激光打标机因其 所具有的各种优势已成为主流产品，并被认为代表了未来激光打标机的发展方向。 光纤激光器自问世以来，科学家对其激光特性进行了大量研究，提高了各种特性功 能。高功率、高效率半导体激光器集成技术的成熟及掺杂光纤制作技术的发展，特别是 双包层光纤的研制使高功率激光输出成为可能。高功率光纤激光器在很多领域有着广 泛的应用，具有很大的商业价值和发展空间，其在光束质量、可靠性和体积大小等方面都 具有极大优势，各种体积庞大的传统激光器( 如c 0 2 激光器、y a g 激光器) 势必被这 种高效率、长寿命、小体积、大功率光纤激光器所替代。特别是在激光打标方面，光 纤激光器所具有的优势是相当明显的，由于它本身的竞争力和吸引力迅速得到了越来 越多用户的青睐，它在打标行业的应用使得许多行业内部的难题迎刃而解了| 4 0 | o 光纤激光打标机在激光打标应用方面具有许多独特的优势 3 1 1 与传统的固体激光 器使用晶体棒作为工作物质不同，光纤激光器采用很长的掺杂稀土离子双包层光纤作 为工作物质，并采用高功率多模激光二极管作为泵浦源。其具有光束质量优越，使用 成本低廉，免维修服务，激光器使用寿命长，体积小巧，适用于恶劣环境等优点。光 纤激光打标机光束质量比传统的固体激光打标机好很多，为基模输出，聚焦光斑直径 不到0 0 2 m m ，发散角是固体激光器的1 4 ，特别适用于精密，精细打标。其光电转换 效率最高可达3 0 ，整机耗电一般小于5 0 0 w ，大大节约开支，其工作时间一般为1 0 万小时。光纤激光器通过光缆实现激光传输、结构紧凑。散热效果好，只需风冷，节 约空问。在一定冲击、震动、较高的温度或是有灰尘等环境也可正常工作，适用范围 为电子元器件、电工电器、电子通信等领域。可雕刻金属材料和部分非金属材料，主 3 要用于对深度、光滑度、精细度要求较高的领域，如钟表，模具行业等。 4 第二章光纤激光器理论 许多稀土离子，如铒、铥和镱，都可以用于制造光纤激光器，其工作波长在0 4 u m 到舡m 之间。早在1 9 6 1 年就研制了第一台光纤激光器，当时所用的是掺钕光纤，芯径 为3 0 0 9 i n 。低损耗的硅光纤出现不久，便于1 9 7 3 年被用于激光二极管泵浦的光纤激光 器。虽然之后又开展了一系列工作，但直到2 0 世纪8 0 年代后期，光纤激光器才取得 了长足的进展。初期工作侧重于掺钕和掺铒的光纤激光器，但诸如钬、铥和镱等掺杂 物也曾使用过。其中重点集中在锁模的掺铒的光纤激光器上，这类激光器能在1 5 5 9 m 波段上产生超短脉冲，并在光纤通信、超快现象、光纤传感器等方面有应用价值“。 2 1 光纤激光器的基本概念 与其它大多数激光器一样，光纤激光器也是由泵浦源、增益介质一掺杂光纤和谐 振腔构成的。光纤中的掺杂离子在泵浦源的作用下跃迁到高能态，离子无辐射跃迁到 亚稳态形成粒子数反转，再跃迁回基态产生光子，光子在谐振腔中来回振荡放大后形 成激光输出。以下从增益介质、能级结构、谐振腔结构和输出特性等几个方面介绍光 纤激光器的基本理论。 2 1 1 增益介质和能级结构 当掺杂光纤在泵浦源的作用下实现粒子数反转时，就产生了光增益。根据掺杂离 子能级结构的不同，光纤激光器主要可分为三能级系统和四能级系统，下面分别以掺 铒光纤激光器、和掺钕光纤激光器为例，分别予以介绍。 1 0 0 自旋轨道分裂晶体场分裂 图2 1 铒离子的能级结构 5 5 垦删盟 4 i 二= 二= = 二 图2 2 钕离子的能级结构 铒离子的能级结构1 如图2 1 所示，在三能级系统中，泵浦系统将铒离子从基态 e - ( 4 i - 卵) 抽运到高能级e 3 ，被抽运到e 3 ( 4 1 1 1 上的粒子通过无辐射跃迁迅速转移到亚稳 态能级e 2 n l m ) 。由于e 2 是一个寿命较长的能级，于是粒子在e 2 上得以积累，从而实 现了e 2 与e 1 两能级间的粒子数反转。当反转粒子数积累到一定程度，e 2 与e 1 之间的 受激发射过程会产生激光输出。 由于铒离子在8 0 0 r i m ，9 8 0 r i m 和1 4 8 0 r i m 处有吸收带存在，所以可采用这三个波 长的光源进行泵浦。但8 0 0 r i m 泵浦中的激发态吸收效应会降低泵浦效率，因此目前普 遍采用的是9 8 0 r i m 或1 4 8 0 r i m 的半导体激光器作为泵浦源。亚稳态能级4 1 1 纰和基态能 级4 i - 舱之间的受激发射过程形成激光输出，其发射波长位于1 5 5 0 n m 波段。 钕离子的能级结构“”如图2 2 所示，在四能级系统中，泵浦系统将钕离子从基态 e t ( 口) 抽运到高能级匕，被抽运到e 4 ( 4 f 5 曲上的粒子通过无辐射跃迁迅速转移到亚稳 态能级e 3 ( 4 l 妇) 。由于e 3 劬) 是一个寿命较长的能级，是亚稳态，可视为上能级，e 2 ( 4 1 1 1 西 能给寿命很短，热平衡时基本是空的，视为激光下能级。粒子在e 3 m 上得以积累， 从而实现了e 3 ( 4 f 3 国与e 2 n l 。国两能级问的粒子数反转。当反转粒子数积累到一定程度， e 2 ( 包d 与e l n l 砌之间的受激发射过程会产生激光输出。e 2 ( 4 i l 啦) 能级上的离子主要是 通过非辐射跃迁回到基态e 1 ( 4 l 蚍) 。 由于钕离子在o 8 i m 处有吸收带存在，所以可采用g a a s 半导体激光器进行泵浦。 实现4 i 蚍到龟，2 的跃迁；该激光器可工作在0 9 21 tm 、1 0 6l am 、1 3 5t tm 三个激光波 长上，其中工作在1 0 6 pm 时，泵浦效率最高。虽然工作波长为1 3 5 t tm 时也是四能 级泵浦过程，但其效率受到4 f 如到4 g 7 2 跃迁引起的激发态吸收的严重影响，泵浦效率 很低。 6 屹 加 8 6 4 2 0 _jn3o【)咖箍 2 1 2 光纤激光器的腔结构 光纤轻巧灵活的特性决定了光纤激光器可以有多种选择。目前，常见的光纤激光 器一般采用法布里珀罗( f p ) 腔和环形腔两种结构； 掺杂光纤 激光 图2 3f a b r y - p e r o t 腔光纤激光器结构图 ( 1 ) 法布里珀罗( f - p ) 腔 法布里珀罗( f - p ) 腔是一种最常见的激光谐振腔，如图2 3 所示，它是将增益介 质置于两片高反射率的腔镜之间构成的。在光纤激光器中，腔镜经常对接耦合到光纤 端面，以避免衍射损耗。这种腔型的损耗较小，但对其进行的调整较为困难，光纤端 面或腔镜稍微倾斜，就会使损耗急剧增加，允许的倾斜角度小于1 。这个问题可以通 过将介质膜直接镀到掺杂光纤的研磨抛光端面上得到解决。由于介质膜对光纤端面的 缺陷极为敏感，而且泵浦光也经由同一腔镜入射，所以当泵浦光经过聚焦且功率较高 时就会损坏介质膜。有几种代替方法可以使注入的泵浦光经过聚焦且功率较高时不通 过介质膜镜。 第一种方法，使用w d m 耦合器，光纤耦合器是四端口器件( - - 输出和二输入端 口) ，通过用于与光纤光学有关的多种应用领域。它的功能是将一光场分为相干的两部 分，光从输入端口的一个端口入射，直接耦合进两个输出窗口。因为输出耦合到两个 不同方向，所以这样的器件也称为定向耦合器。可以设计一种光纤耦合器使得大部分 泵浦光从耦合器的一个出口输入腔内，耦合器是光纤激光器的一部分，这样的耦合器 称为w d m 耦合器。第二种方法，直接在光纤上刻写光纤光栅作为腔镜第三种方法， 是使用光纤环形镜，光纤环形镜能设计成对输出光全反，而对泵浦光全透。 如果将图2 3 中的反射镜改为光纤光栅，那么该图的结构就变为光纤d b r 激光器 的典型结构，下面介绍布拉格光栅。 由衍射理论可知，以角0 i ( 相对于折射率为常数的位面) 入射的光线以角0 ，衍射 且满足 s i n 0 - s i n 0 , - m a ( h a l ( 2 1 ) 式中，a 是光栅周期，a 是介质中的波长对平均折射率的比值，m 是布拉格衍 射级数。该式可作为相位匹配条件可写为 k f k d m kg ( 2 2 ) k i 和l 【d 是入射光和衍射光的波矢量。光栅波矢l 【窖大小为2 p a ，方向为介质中折 7 射率周期变化的方向。对于单模光纤，三个矢量都位于光纤的轴上，则l 【d - k i ，衍射光 向后传播。因此，光纤光栅可以作为满足相位匹配条件的特定波长的反射镜。根据式 ( 2 1 ) ，若令0 i = p 2 并o r = 2 ，如果m = l ，则a = 2 na ，光栅周期与真空波长有关。 上述条件称为布拉格条件，满足该条件的光栅称为布拉格光栅。 直接在光纤上写入光纤布拉格光栅( f b g ) 。光纤光栅对激光相当于高反射镜，而 对泵浦光则是完全透明的，所以光纤布拉格光栅完全取代了f a b r y p e r o t 腔两端的高反 射镜。目前已经制成了这种结构的掺钕和掺铒光纤激光器。因为布拉格光栅具有极窄 的反射带宽，所以光纤光栅激光器可以输出单纵模窄线宽的激光。 ( 2 ) 环形腔也是光纤激光器经常采用的一种谐振腔结构形式，环形腔是行波腔， 可以避免空间烧孔效应。它的典型结构如图2 4 所示。w d m 耦合器的两端连接在一起 构成了环形腔，环内串接着掺杂光纤，隔离器( i s o ) 的作用是保证激光的单向运转。 如果掺杂光纤为保偏光纤，还需要使用偏振控制器，以消除偏振模竞争。控制器在没 有反射镜的情况下，用这种结构可以构成简单的环形腔光纤激光器，如果在输出端采 用光纤光栅作为腔镜则可以控制激光器的激射波长。 偏 制 隔离器 泵浦 出 输出 图2 4 环型腔光纤激光器结构图 还有许多腔形可以用于激光器结构，以满足实际需要。例如为了对光纤激光器进 行锁模，可以采用“8 ”字形谐振腔，在实际应用中，应根据对光纤激光器实际需要来 选择和设计腔型。 2 1 3 光纤激光器的输出特性 阈值泵浦功率和斜率效率是说明光纤激光器输出工作特性的两个最重要的参数。 阂值泵浦功率是激光器达到阈值所必须吸收的泵浦功率，它是由光在腔内每次往返中 的增益完全补偿腔内总损耗这一条件决定的。若考虑在一段长度为l 的光纤两端放置 两个反射率分别为r 1 ，r 2 的平面镜构成的一个简单的f p 腔，阈值条件为 g 2 置足e x p ( 一2 工) - f ( 2 3 ) 式中，g 是单程放大因子，a 。是不含腔时输出损耗的其他腔内损耗。单程放大因子应 8 包含增益系数的非均匀特征，并由下式决定 “唧陟g 皿】，其中荆叫雌) - 1 酬 旺4 ， 式中，q 是跃迁截面，1 、2 分别是参与受激发射过程的下能级和上能级粒子 数密度。将( 2 4 ) 式带入( 2 3 ) 式，阈值条件为 手f g ( z ) d z 一口m + a h 口。 ( 2 5 ) j 0 1 式中，口。_ - i n ( r i r 2 ) 2 l 是有效腔镜损耗，口。是腔的总损耗。 反转粒子数n 2 n 。与泵浦强度有关，光纤激光器的增益与许多参数值有关，通常 激光器所用的三能级速率方程也适用于光纤激光器。一般来说，耦合方程组必须要用 数值方法求解。当激光器的自发辐射和激发态吸收忽略不计时，用一个简单的二能级 模型就能得出许多有用的结论。该模型假设三能级系统的泵浦能级3 几乎是空的，因 为粒子数迅速转移到激发态2 上；同时忽略掉发射截面和吸收截面的差别。在这些简 化下，激发态粒子密度n 2 ( z ，t ) 可以通过以下速率方程得到 警- 哆1 一w , ( n 2 一1 ) 一i n 2 ( 2 6 ) 式中，n i = n t n 2 ，n t 是总的粒子数密度，和职分别是泵浦光和信号光的跃迁 几率，表示为 一警，睨- 等 旺7 ， 式中，r ，是重叠因子，它表示泵浦功率0 在光纤掺杂区内所占的比例，咋是泵 浦频率。处的跃迁截面，4 ，是光纤中泵浦光的模丽积。式( 2 6 ) 的稳态解为 肌坠! ! ! 塑( 2 8 ) 。1 + 2 p + p e 式中，p ，= 弓0 “，p ：= 只只“，饱和功率定义为 只一兰竺2 只一。! 生上 ( 2 9 ) 9 r p o p r , r ，o - , r l 式中t 1 是输出耦合的透射率。 四能级的计算更为简单，因为在这种情况下，n i - 0 ，n 2 n t ，n t 是总粒子数密度 对于四能级系统激光器而言，方程( 2 6 ) 可以用下面方程代替 9 警一_ m 一彬2 一等 ( 2 1 0 ) 方程的稳态解为 2 肇善挚 ( 2 1 1 ) 2 1 + 只1 , “ 泵浦光功率和信号光功率沿腔长方向的变化是决定了n 2 是z 的函数在阈值附近或 以下，由于p d p s “t l ，增益饱和效应可以忽略。利用泵浦功率0 0 ) 一0 ( 0 ) e x p ( 一口，z ) 以 指数衰减，式( 2 5 ) 中的积分很容易求解，泵浦功率的阈佰可表示为 仇。石1 - r 1 八而a n , )a 乒a 拇p 弓( o ) 。r 二i a 葡j 。a p 。“ ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 式中口，一巳f 和a ，- a , m 分别是泵浦光和信号光波长处的吸收因子。上式清楚的 表明激光阈值对腔长的依赖关系。通常，阈值泵浦功率用吸收的泵浦功率表示 仁) a 0 ( 0 ) 1 - e x p ( - a ，z ) 】 ( 2 1 4 ) 结合( 2 1 3 ) 式和( 2 1 4 ) 式，可写为 己一口。上( 口，a , 坶“= a l ( c t e l w p i f , a , t , ) ( 2 1 5 ) 上式表明激光阙值取决于增益介质( 掺杂) 有关的参数。 当泵浦功率超过阈值时，饱和增益仍保持在阈值附近，因此可由阈值条件( 2 5 ) 式求得输出功率，将( 2 4 ) 式和( 2 1 1 ) 式带入( 2 5 ) 式，可得 辫一 泣坳 因为腔内激光功率p 。沿光纤方向z 变化，上式中是被吸收的泵浦光功率的积分很 难得出解析解。由于在大多数实际情况下腔镜反射率都足够大，可以把p g 看成常数， 因此上述积分可简化为前面给出的估计值，p s 可有一个非常简单的表达式给出 t 只“( 只。最一1 ) ( 2 1 7 ) 式中p 她是被吸收的泵浦光功率。腔内功率p s 的一部分作为输出功率从每个腔镜 透射，反射率为r 1 腔镜的输出功率可写成( 对于环形腔则是从输出光纤耦合器的一端 口输出) 只。0 一马) 只一，以( f k 一兄) ( 2 1 8 ) 1 0 上式表明，激光功率随吸收的泵浦功率线性增加。斜线率定义为d p 。拍p 曲s 写成 仇。( 粤a , 。l x 墨a 与a v p 仇。手尺。) ( 2 1 9 ) 斜率效率是激光器达到阈值以后将泵浦功率转化为激光功率的转化效率。腔内损 耗越小，斜效率可能越大。 2 2 光纤激光器的调q 和锁模 2 2 1 调q 光纤激光器 近年来，由于工业和军事的需求，光纤激光器调q 技术的研究逐渐向全光纤、窄线 宽、窄脉宽、高能量的方向发展。非光纤型q 开关装置( 声光q 开关、电光q 开关、 可饱和吸收体等) 有其自身的优点，但这些装置插入光纤激光器谐振腔中，增加了插入损 耗，且与光纤之间的光耦合效率降低，使激光器的阂值泵浦功率大大提高。为解决这一问 题，人们利用熔接尾纤技术或使用u 型架实现了这些装置的光纤化。还有人采用全光纤 调q 方式，如s a g n a c 环调q 、周期可调的光纤光栅( f b g ) 调q 、光纤型可饱和吸收体调 q 等。总之，光纤激光器的调q 技术正朝着全光纤化的方向发展“1 。 一般情况下，激光器谐振腔体的损耗常用品质因子q 来描述，q 的表达式可写为 q 。掣 ( 2 2 0 ) 口 式中口为谐振腔的单程损耗，n 为介质的折射率，d 为腔长。由上式可见，谐振腔的q 值与腔内损耗口成反比，因此，可以通过改变腔内损耗来调节谐振腔的q 值。同时， 根据激光振荡阈值条件可知激光振荡的阈值反转粒子数与腔内损耗口和q 值有如下的 关系 九“a “西1 ( 2 2 1 ) 这说明腔体的损耗越小，则腔的q 值越高，阈值反转粒子数越小，越容易建立激 光振荡。对于普通的脉冲激光器，反转粒子数刚一超过阈值( ) 就马上产生激光振荡， 激光上能级粒子数很快就被消耗，反转粒子数迅速下降，并维持在阈值附近，因此， 增益不可能达到很高的水平，限制了激光的峰值功率。而所谓的调q 技术就是通过调 节谐振腔的损耗，使激光器在泵浦的过程中处于一种低q 值状态，此时激光的阈值很 高，不会发生激光振荡，这样上能级粒子数就得以不断的积累，当上能级粒子数积累 到足够大时，突然降低谐振腔的损耗，此时激光器处于高q 值状态，腔内增益远远大 于振荡阈值，激光上能级的激发原子( 分子、离子) 在很短的时间内受激发射，产生 峰值功率很高的光脉冲。 在调q 光纤激光器中，假设高q 腔和低q 腔的开关时间比脉冲建立时间要短得多， 1 1 并且在脉冲发射时可以忽略光学泵浦和反转粒子通过自发辐射弛豫带来的影响，这样， 可以建立与反转粒子数密度和光子密度有关的速率方程为 坐耸孚型! 1 一竺篁町o ，) ，硝m ( f ) ( 2 2 2 ) 4 r珥篇 鲁= 詈饥一a 石鹕，z ，t 蚴如专 ( 2 2 3 ) 其中，a y ，z ，f ) 中t u v ( t ) 代表时刻t 时光纤中总粒子反转数；s i ( x ，y , z ，t ) 代表( x ，y ，z ) 处和t 时刻的光子密度；c 为真空中光速；n l 为纤芯折射率；为受激发射截面；盯为腔内光 子寿命，- 2 l n l c 4 是腔内光子寿命，l 为腔长，4 是第i 个模的往返损耗a 考虑调q 光纤激光器在单模运转情况下，由于反转粒子数密度和光子密度可表示为归一化形式 墨。f f f s , ( x ，y ，z ，t ) d x d y d z - s , ( t ) f f f s o a x ，y ，z ) d x d y d z 。墨( f ) ( 2 2 4 ) a n ( x , y , z , t ) o ) r o ，y ) 掣攀害兰垡盟 ( 2 2 5 ) 1 一e x p ( 一t i p l j ，7 ， 其中，s 0 | i ( x ，y z ) 为归一化的模能量密度分布；r o ( x ，y ) 为泵浦归一化分布；a 啦，y ) 在光 纤工作区为1 在其他区域为o ；叩。是在光纤- r 作区的泵浦能量占光纤内总能量的比例 系数。 激光介质中泵浦与信号模的重叠因子可写为 e s 。j o ，y ，z ) r p o ，y ，z ) d x d y d z ( 2 2 6 f p ( x ，y ，z ) 为归一化的泵浦分布( 对整个光纤体积归一化) 。则( 2 2 2 ) 式和( 2 2 2 ) 式可以写为 掣一詈薹 他z 7 ， a s ，, 竺a o ) e 置一旦 ( 2 2 8 ) 该方程组( 1 ) 为非线性微分方程组，一般很难求出其解析解。但可以根据初始条件， 借助计算机求得其数值解，( 2 2 8 ) 式除以( 2 2 7 ) 式消去对时间的导数，即 鑫一轰 1 - 赢) ( 2 2 ” 为了用更有意义的形式来表达这个结果，对第i 个模定义在阈值时的粒子数反转 反转数 “，- 刍砉 ( 2 3 0 ) 利用上式和t 。的定义，改写( 2 2 9 ) 式为 鑫。轰皆1 ( 2 3 1 ) 假定s 珈与s i 相比可以忽略，则( 2 3 1 ) 式的解为： 墨+ 缶薹列f j * 铲s j 一( “加瓮一一叱) ( 2 抛) 激光器瞬时输出功率与光子密度有关： e - 眠( 矗) 旺3 s ， 式中t - 是输出耦合的透射率。当a nm = a n t i 时光子密度达到最大，在单横模时， 即当j 1 时，s i = o ；则s 。可写为 - 【“灿瓷一( “，一毗) 】 ( 2 3 4 ) 上式中令s m “= 0 ，可以得到振荡结尾时的反转粒子数密度批 即a n 。e x p ( 旺3 s ， 则激光输出的是峰值功率可表时示为 叫蕞卜k 瓮删，一删 眩3 6 ， 对瞬时功率p l 从脉冲起始时间t l 到结束时间t f 积分，可得输出脉冲的总能量为 | i n r p 即，黝。z 布】 q 3 7 e 1 一和( 峨一叫) 假设脉冲在时域上为三角波形，则脉冲半宽度a t l 可定义为a h = e 1 p 刚。，利用( 2 3 6 ) 和( 2 3 8 ) 式可得 石再anj1-an， ( 2 3 9 ) 由( 2 3 9 ) 式可以看出，脉冲半宽度t 1 正比于腔内光子寿命t 。，而t 。又和腔长l 成正比，所以为了获得窄的脉冲，腔长不宜过长，输出损耗也不宜过小。 下面介绍一下基于光纤环形镜调o 装置的全光纤调q 激光器。1 。 图2 5 调o 装置原理图 光纤光栅和臂长调制机构的光纤环形镜作为调q 元件，如图2 5 所示。光纤光栅做 在光纤环的中部。光纤环被分为基本相等的l 1 和k 两段。对于光纤光栅反射带宽之 外的入射光波来说，这一结构是一个单纯的光纤环形镜，将全部无损耗地从原路径返 回。对于对应于光纤光栅中心波长的光来说，此结构与一个迈克尔逊结构的干涉仪相 似。被光纤光栅反射的波长将在3 d b 耦合器处发生干涉。干涉的结果决定于光在两干 涉臂来回的光程差a l = 1 1 - k 。根据光纤光栅的透射谱和反射谱，以及光纤耦合器的传 输特性，可以导出从端h 2 输出的光强与端口1 输入光强之比为 ，：，。- ( a x 2 【1 2 p ( a ) 1 2 + 4 卜( a ) 1 2 p ( a ) 1 1 一p ( a ) l c o s 2 ( 卢配) + 2 1 1 2 p ( a ) l x p ( a ) 1 - p ( a ) q 似) c o s 2 够8 l ) ( 2 4 0 ) 式中1 3 为传播常数，t ，r 为光纤光栅的复振幅反射率和透射率，q 为光纤光 栅传输谱的一个特性参量，表示为 q 伽= i 伊t + 一t ， ( 2 4 1 ) 光纤耦合器的分束比表示为p ：( 1 p ) 。所选用的光纤耦合器是一个宽带的分束器， 其分束比是波长的缓变函数。光纤环形镜要求分束比为1 ：1 ，即p = o 5 。实际上的分束 比有所偏离，记为d d = p - 0 5 ，可得 ，：i 。一砷 h 2 ( 印) 2 + l ，q 2 【1 4 ( 印) 2 c o s 2 够乩) r 。7 一2 ( 勿) 1 4 ( 4 p ) 2 q ( a ) c o s 2 ( 卢配) ( 2 4 2 ) 由此可见，当光纤耦合器的分束比等于1 ：1 ，而且两臂长相等时，从端d 2 将有与 光纤光栅反射谱对应的光波输出。 环形镜一臂的一段光纤被固定在一维调整架上，对两臂间的光程差进行调整使其 臂长相等或位相差为干涉周期的整数倍。环形镜另一臂的一段光纤被固定在压电陶瓷 p z t 上。改变p z t 上的电压使该臂长伸缩，从而改变二臂问的光程差，调节迈克尔逊 干涉仪的干涉状态。当b d l = ( m + l 2 ) p 时，1 2 = 0 ；而当b d l = m p 时，1 2 = r 2 i o 。利用这一 特性可以实现对激光器的损耗进行调制。 2 2 2 锁模光纤激光器 锁模技术是光纤激光器获得超短脉冲时采用的最主要方法，它利用调制技术或者 借助于饱和吸收体的作用，使激光器腔内各振荡纵模之间建立固定的频率间隔和位相 关系，从而产生峰值功率高、脉宽极窄的相干超短光脉冲。以掺铒光纤激光器为例， 介绍光纤激光器的锁模原理。锁模技术分为主动锁模、被动锁模和主被动联合锁模三 种方式，其中主动锁模方式最为常见，它使用外加调制信号实现锁模，调制方式主要 采用振幅调制。 光纤激光器同时运转在位于增益带宽内的大量纵模上。纵模间隔为a v c n l ， 其中c 为光速，工为完全锁定时腔内光纤的总长度，n 为光纤折射率。多纵模运转是由 与光纤激光器纵模问隔相比很宽的增益谱决定的。总光场可由下式表示式 蚴。量既c x p ( 蛾一) ( 2 4 3 ) 式中e m ，矿。，。分别是阶模的场振幅，相位和频率，整数m 表示纵模阶数，模式总数 为2m + 1 个。如果所有模式都独立运转，其相位间没有确定关系，则总强度l e ( t ) 1 2 中干 涉项的平均效果为零，即为多模连续激光器的工作情况。 锁模出现的条件是：各纵模相位同步，任意相邻纵模的相位差固定为一常数值庐， 即毋。+ j = 妒。这种相位关系意味着矿。= m 西+ 毋o ；模式频率( o r n 可写为。= ( o o + 2 m p a a 将以上关系式代入式( 2 4 3 ) ，假设所有模式都有相同振幅e o 。则总光强i e ( t ) 1 2 可以解 析求出得： 驯一业s 挲i n ( j r 幽并t 毛2+ 妒z l ( 2 4 4 ) 该关系是一个周期函数，周期t - 1 a v 恰好是光在腔内一次往返所需时间，因而激光 器输出脉冲序列的脉冲时间为t 。此结果表明在谐振腔内循环的单个脉冲，每次碰到输 出耦合器，就会有一部分能量输出。从式( 2 4 4 ) 还可以估计出脉冲宽度 f 。一【( 2 m + 1 ) 缸】一，由于( 2 m + 1 ) 个纵模的总谱宽为( 2 m + 1 ) _ i ，所以脉冲宽度与 能同时运转的纵模的谱宽成反比关系。脉冲宽度和增益带宽v 卫的准确关系依赖于增益 加宽机制( 均匀加宽或非均匀加宽) 。由式( 2 可知，脉冲光强的极大值 i e ( f ) i 乞。- ( 2 m + 1 ) 2 ( 2 4 5 ) 因此，锁模激光器输出脉冲的峰值强度为同一激光器未锁模时平均光强的2 m + 1 倍。腔长越长，腔内纵模数越多，锁模时脉冲峰值功率会越大。激光介质的增益饱和 行为是形成激光稳定振荡的关键，掺铒光纤主要是均匀加宽激光介质，全部粒子以同 一方式对外场产生响应，理想的情况下，满足阈值条件的各纵模在振荡过程中相互竞 争，而在增益曲线峰值处角频率为蛳的模在竞争中通常占有优势，形成稳定振荡，而 其它振荡模都被抑制。当采用锁模技术时，优势模的电场强度在经调制器作用后可用 下式表示： m e o ( f ) 一e o ( 1 + m c o s t t ) c o s ( t a o t4 - ) 一e o c o s ( o 口# + 九) + 詈磊c o s ( 6 0 0 + 弘+ 九】 m 一等e o c o s 【一y + 成1 ( 2 4 6 ) 二 式中，m 为调幅函数，该式表明角频率为咖的模经过损耗调制后，除了原有频率 为咖的振动以外，还在附近激发了两个边频振动，其频率分别为咖+ 0 ) m 和咖一国。，它 们具有与增益曲线中心频率处角频率为t o o 的模相同的初位相，同样这两个边频经过调 制后又会进一步产生以它们为中心的另外两对边频，直至将增益带宽内的所有纵模都 耦合激发起来，这时他们彼此间保持相位的同步，经相干叠加，形成锁模脉冲。在理 想的锁模情况下，自由振荡模受到抑制，自由振荡模被中心纵模的诸边模所俘获。当 调制频率与腔长匹配时，腔内运行的脉冲中心波长每次到达调制器时正处于调制器透 光率最大值处，即脉冲中部经过调制器时比其两侧通过时所受到的损耗要小，这样脉 冲在具有增益介质的掺铒光纤环激光器中运行时，因受到调制器的周期性调制，脉冲 中部所获得的净增益要比两边大，使得脉冲中部能量较其两边增加快得多，光脉冲通 过在腔内多次循环不断遭到压缩，最终形成脉宽窄，峰值功率高的锁模脉冲序列。 2 3 光纤激光器用于打标的优势 半导体激光抽运的固体激