光纤激光器-中国光学光电子行业协会

1、光纤激光器 .光纤激光器的原理 光纤激光器是指以光纤为基质掺入某些激活离子作做成工作物质，或者是利 用光纤本身的非线性效应制作成的一类激光器 .Nd2o3的光纤激光器是于1963年 首先研制成功。 与普通激光器一样，光纤激光器也由工作物质、谐振腔和泵浦源组成，如图所 示。一般的光纤激光器大多是在光纤放大器的基础上发展起来的。它是利用掺杂 稀土元素的光纤，再加上一个恰当的反馈机制便形成了光纤激光器。掺杂稀土元 素的光纤就充当了光纤激光器的增益介质。 在光纤激光器中有一根非常细的光纤 纤芯,由于外泵浦光的作用，在光纤内便很容易形成高功率密度，从而引起激光工 作物质能级的粒子数反转，从纤芯输出激光。

2、依据掺杂离子（如Er 3+、Yb 3+、 Nd 3+等）特性的不同，工作物质吸收不同波长泵浦光而激射出特定波长的激光。 由于掺Yb光纤具有宽吸收谱、宽增益带和调谐范围宽等优点，目前高功率光纤 激光器，大多采用掺Yb 3+（或Er , Yb共掺）光纤。 LD先謙 图i业纤浊光器的庇木机构国 光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，一般由中心高折射率玻璃 芯（芯径一般为9-62.5卩m）中间低折射率硅玻璃包层 （芯径一般为125卩m）和最 外部的加强树脂涂层组成。 、几种光纤激光器 2.1低功率光纤激光器 普通通讯用的光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，其典型结构如下图: 掺稀土离 它与我们传

3、统加工用的工业激光的显著区别有： 用掺杂离子的光纤作为工作 物质用光纤光栅代替光学镜片构成光学谐振腔 LD泵浦源可以通过尾纤与掺杂光 纤无缝耦合导光部分也直接采用光纤输出。 但是该种激光器的单模纤芯直径只有 9um,而且只能采用端泵，无法承受太 高的功率密度；另外，单模纤芯对 LD的模式提出了严格的要求，只有单模光才 可以耦合进纤芯进行有效泵浦，可惜大功率单模LD至今无法实现；最后，强泵 浦光耦合在很细的纤芯里会出现严重的非线性效应，从而改变会改变光学性能和 降低转换效率。由于该种激光器受到功率的影响，一直以来只局限于光通讯领域； 同时由于巨大的行业差距，几乎无人曾敢把它与激光加工联想到一块。

4、 所以，大 功率输出是光纤激光器发展的最大瓶颈，几乎所有的研究工作都在围绕这个问题 展开。 尽管中国绝大部分人士是在2002年以后才意识到高功率光纤激光器，可是 俄罗斯至少潜心苦研了 20年后有了 IPG公司，英国也至少研究了 30年也有了 SPI。他们在冷战时代都肩负着重要的国防使命，得到了国家的鼎立支持并一直 是军事领域的绝密。 2.2、高功率光纤激光器 下图是来自俄罗斯技术的IPG公司的高功率光纤激光器的原理图，按激光 器三大组成部分浅析如下: 硼 LD LD 栅 2.2.1、工作物质-双包层特种光纤： 1、单模纤芯由掺镱离子等元素的石英材料构成，作为激光振荡通道；而内 包层则由横向尺寸

5、和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的纯石英材料构 成，它是接受多模LD泵浦光的多模光纤；正是因为掺杂激活纤芯和接受多模泵 浦光的多模内包层分开，才得以实现了多模光泵浦而单模光输出的可能，从而无 形化解了激光功率和光束质量这一矛盾。 2、 整个双包层光纤采用D型等结构，旋光效应小，吸收充分，光光转换80% 以上。 3、光纤两侧生出无数杈纤，每分衩可与带尾纤的 LD无缝耦合形成分点泵 浦，可极大地提高输出功率，同时又避免了传统端泵带来的一系列热效应问题。 光纤采用比普通玻璃性能更好的石英材料制成，同时掺杂耐高辐射离子，整 段光纤可承受高达10,000W的激光能量而不会出现热损伤情况。 Yb3+

6、没有激发态吸收，可高浓度掺杂，同时光纤可达几百米，一可大大提 高激光增益，二又增大了散热面积；光纤盘在热沉（国内习惯上将这种模拟宇宙 冷黑环境的装置叫做“热沉”。上，简单风冷便可稳定工作。 Yb3+的吸收谱比Nd3+要宽10倍，对LD光源模式十分宽松，几乎不受波 长温漂的影响，可大大转换效率。 Yb3+能级为简单的二能级，亚稳态寿命是 Nd3+的三倍，小功率泵源就可在 激发态积累贮存大量的能量，十分合适在极窄的纤芯内形成高密度的离子数反 转，从而可输出稳定的强激光。 2+的能级图 222、光学谐振腔-光纤光栅: 1、光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而 引起后者折射率

7、的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成 的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。 2、光纤光栅是被刻在纤芯的两端，当激活离子发射出一连续宽带光传输到 光栅时，它会有选择地反射回相应的一个窄带光 （如1064nm）,并沿原传输光纤 返回振动；其余杂光则直接透射或发射到光纤外滤掉。 3、光纤光栅是在纤芯本身上刻录的，与光纤连成一体高度融合，不占任何 额外体积，无任何插损，不怕任何振动和杂物的侵入。 4、光纤光栅起着激光选频、反馈和放大的功能，从而巧妙地取代了镜片式 传统光学谐振腔，从根本上解决了震动、灰尘和潮湿等引起的一系列光路需调节 的烦琐问题。 5、一般

8、的通讯光纤光栅是温度敏感的，要承受高功率激光辐射，则必须采 用负膨胀材料封装光纤光栅，把温漂系数控制在 0.001 nm/oC以下。 223、泵浦系统-侧面泵浦: 采用杈纤直接熔接耦合进行侧泵，一无需任何光学元件，二可避免损伤光纤 端面，三是容易提高泵源的注入。 新颖的蜈蚣式侧泵方式：光纤两侧生许多纤杈与 LD尾纤直接熔接，从各个 不同点进行单个泵浦，可避免强激光单点引起的非线性效应和模式恶化。 采用多个高功率LD单管代替LD集成阵列作泵浦源，一可提高光源的模式， 二是易于泵源的散热提高寿命，三有利于维修更换。 采用发光面很宽的LD（ 100-250us）作为泵源可大大降低LD发光点所承受 的

9、光功率密度提高其寿命，一般可达 100,000小时。 2.3、脉冲光纤激光器 既然光纤激光器的谐振腔本身就是一段光纤，所以它不能像传统激光器那样 在谐振腔内插入Q开关来实现脉冲输出，因为把光纤谐振腔（就是光纤）拦腰 截断插入Q晶体，一会增大插入损耗，二会影响整个激光器的紧凑性而无法实 现光纤一体化。所以如何实现光纤激光器的脉冲输出又是一个全新的研究课题。 目前比较成熟的技术是采用 MOPA （主振动功率放大）技术来实现。 MOPA（功率放大器） MO（ Master Oscillator）就是主振动器，它其实就是一个功率（10-20mw） 很小的激光器，一般可选用波长合适（如1064nm）的L

10、D。小功率LD很容易通 过驱动电流来直接调制输出参数，如重复频率、脉宽、脉冲波形以及功率大小， 通过尾纤把光脉冲信号串联进 PA（Power Amplifier）-光纤功率放大器进行光脉 冲放大。光纤放大器一般只用于光纤通讯，它的原理与光纤激光器十分相似，只 不过撤掉了光纤两端的光纤光栅而无法形成激光振动，只起信号放大作用。光纤 放大器能严格按照M0耦合近来的种子源光进行原形放大，却不改变激光波长、 重复频率、脉宽和脉冲波形。所以脉冲激光器采用 MOPA方式，既可得到优良 的激光特性，又能大大提高输出激光的亮度。这是传统方式所无法达到的综合效 果。 从M0出来的光脉冲通过PA放大器时，脉冲的各

11、部位获得的增益会不同： 脉冲前沿的增益按指数规律增加，脉冲后部的增益逐渐减少，脉冲后沿增益最小， 尤其是如果脉冲信号光很强，或脉宽较宽时，脉冲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，使得脉冲各部位得到均匀放大（如果入射信号 的能量很小或者脉冲很短，整个脉冲可得到均匀放大，而且脉冲形状保持不变）。 激光脉冲通过放大器之后，其波形的变化与入射信号脉冲的前沿上升速度有 着直接的关系。如果信号光是高斯型脉冲，因脉冲前沿上升比指数还快，所以经 过放大后，脉宽可以得到压缩；如果是指数型脉冲，形状和脉宽几乎都不变化； 如果输入脉冲前沿上升时间比指数函数更缓慢，则放大后其脉宽会变宽。一般为

12、 了获得高功率、窄脉宽的激光脉冲，可以在信号进入放大器之前，采用削波技术 切去脉冲的缓慢上升部分，使其脉冲前沿变陡，即能达到压缩脉宽的目的。 三、光纤激光器的特点 与传统的固体激光器相比，光纤激光器体积小，寿命长，易于系统集成，在 高温高压，高震动，高冲击的恶劣环境中皆可正常运转， 其输出光谱具有更高的 可调谐性和选择性。 1）增益介质的表面积/体积比大 光纤激光器采用光纤做增益介质，具有很大的表面积 /体积比，这使其具有 非常好的散热性能，因此，即使非常高功率的光纤激光器，增益介质也不会受到 热损害，一般无需对增益介质采取特别的散热措施，而其他种类的激光器，增益 介质的散热问题是需要重点考虑

13、的，因此，该特点是光纤激光器所独有的。 2）优异的双波导限制机制 高功率光纤激光器采用双包层有源光纤，这种双包层光纤是一种双波导结 构，高功率的多模泵浦光被限制在直径较大的内包层中传输，为采用高功率廉价 的多模泵浦光提供了条件，信号激光在直径很小的具有圆对称波导结构的纤芯中 产生和传输，在小芯径纤芯波导的限制下，信号激光可获得理想的光束质量和极 小的出光光斑直径，这是光纤激光器独具吸引力的重要特点，在高功率激光器中， 目前还没有一种激光器能够超越。优异的光束质量和极小的出光光斑直径在激光 应用中具有非常重要的意义，可使后续应用设备的光学系统更简单，体积更小， 工作距离更长，激光聚焦光斑更小，工

14、作效率更高，加工深度更深，加工质量更 3）固有的全封闭柔性光路 光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间采用光 纤熔接技术连接，整个光路完全封闭在光纤波导中。这种天然的全封闭性光路一 旦形成，无需另加隔离措施即可自成体系， 实现与外界环境的隔离。由于光纤细 小并具有很好的柔性，光路可盘绕和沿细小的管道穿行， 因此，光纤激光器能够 在比较恶劣的环境下工作，输出光可穿过狭小的缝隙或沿细小的管道进行远距离 传输。这些特点在工业应用中优势巨大，激光器不但能适应比较恶劣的工作环境， 而且可使激光器远离出光点，可将激光引入到以前很难到达的地方， 可非常容易 移动和改变出光点，实现多加工

15、点共用一台激光器，可使激光加工设备的设计具 有更高的灵活性等等。 4）光路具有免维护特性 如前所述，光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成， 光纤和光纤元件 之间采用光纤熔接技术连接，因此，光路一旦完成，即形成一个整体，实践证明, 这样形成的连接结构和连接参数将长期保持稳定，如果光纤和光纤元件本身能有 长期稳定性，整个光路将长期稳定，无需维护。需要特别指出的是，这种免维护 的特性并非不可维护和维修，在需要的情况下，整个光路的维护和维修同样可以 进行，因此，与气体和固体等激光器需要频繁的维护和维修相比，光纤激光器光 路的免维护特性异常优异，而与半导体激光器的不可维修性相比， 光纤激光器的 可维

16、护性和可维修性又表现出明显的优势。 5）单条宽发光区长寿命多模泵浦激光器 光纤激光器的光路具有长期的稳定性， 因此，需要与之匹配的长寿命泵浦激 光器才能获得整机的长寿命。发展低价格的长寿命多模泵浦激光器是发展长寿命 光纤激光器的重点。单条宽发光区多模泵浦激光器就是根据这一理念而设计的一 种长寿命半导体泵浦激光器，其条宽一般取100mm,基本上已接近105/125多模 光纤的纤芯直径，其有源区条宽是列阵半导体激光器的几十倍，对单一发光条来 说，同样输出功率和同样注入电流情况下， 其光功率密度和电流密度将降低几十 倍，有源区温度也会有所降低，在忽略其他因素的前提下，单条宽发光区半导体 泵浦激光器降

17、低失效率的作用是异常显著的。目前尾纤输出功率大于5W的单条 宽发光区半导体泵浦激光器的平均无故障工作时间已经达到50万小时以上。 6）寿命长 从前面的讨论我们已经知道，采用单条宽发光区半导体泵浦激光器作为光纤 激光器的泵浦源，光纤激光器将具备长寿命的特点，因此，制作具有几十万小时 的长寿命光纤激光器在技术上已经可行。 7）体积小重量轻 光纤激光器由于光路可盘绕，光路占用空间较小，在采用单条宽发光区半导 体泵浦激光器做泵浦源的情况下，泵浦激光器可分散安装，具有很好的散热特性， 在安装密度不高的情况下，采用风冷即可，在安装密度较高的情况下，只需少量 通水即可满足散热要求，因此，光纤激光器的体积比同

18、样输出功率的气体和固体 激光器系统更小，重量更轻。 8）输出功率大 光纤激光器输出功率在突破100W以后，输出功率水平飞速增长，只用了三 年多时间，达到的输出功率水平已经超过了 YAG固体激光器和CO2气体激光器 用三十多年达到的输出功率水平，目前光纤激光器的实验室水平已经超过10万 瓦，3万瓦的光纤已经商品化，已经销售的光纤激光器，输出功率为17000W。 可以预见，光纤激光器将成为长时间连续输出功率最大的激光器。 9）节水节电节成本 光纤激光器具有优异的热性能，电光效率较高，节水节电，尤其重要的是可 长期免维护使用，可节约大量维护经费和时间，提高工作效率。 10）造价不断降低 光纤激光器的

19、光路全部由光纤和光纤元件构成，由于原料易得，在技术、产 品和市场成熟之后，可大幅度降低成本。除光路部分外，半导体泵浦激光器是构 成光纤激光器成本的主要部分，从光通信的发展历史和经验来看，随着技术的发 展和市场容量的不断扩大，大幅度降低半导体泵浦激光器的成本将成为必然趋 势。 光纤激光器的类型 按照光纤材料的种类，光纤激光器可分成一下几种类型： 一：晶体光纤激光器 工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激 光器和nd3+: YAG单晶光纤激光器等； 二:非线性光学型光纤激光器 主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里 渊散射光纤激光器； 三：稀土类掺杂光纤激光器 光纤的基质材料是玻璃，向光纤

20、中掺杂稀土类 元素离子使之激活，而制成光纤激光器； 四：塑料光纤激光器向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激 光纤激光器的迅速发展是基于近年来的光纤技术 拉晶体光纤技术、稀土掺 杂光纤技术、单摸低损耗光纤和光纤耦合技术等 和大功率半导体激光技术的突 破性进展。特别是采用半导体激光二极管（ld）作为泵浦源，以其小体积和高效 率为光纤激光器的实用化奠定了基础。 目前，光纤激光器已进入实用化阶段，已见有连续输出功率几千瓦，峰值功 率几万千瓦。 夏江珍 著光纤激光器若干关键技术研究 博士论文/夏江珍著；方 博士论文2003 聂秋华著光纤激光器和放大器技术专著/聂秋华著 专著1997 赵东晖 著

21、光纤光栅与光纤激光器的研究=Research on fiber Bragg gratings and fiber laser 博士论文1999 四、目前发展状况以及应用领域 目前光纤激光器的实验室水平已经超过 10万瓦，3万瓦的光纤已经商品化， 已经销售的光纤激光器，输出功率为 17000W。可以预见，光纤激光器将成为长 时间连续输出功率最大的激光器。 自1999年首次获得100 W的输出功率至今，光纤激光器的输出功率得到了 迅速提高，单模输出功率已达到2.5 kW。除日本2001年发表的光纤盘形激光器(掺 钕)外，其他均为掺镱或共掺镱或钕的双包层光纤激光器。美国IPG(photonics)公

22、司 推出了多模输出功率20 kW的产品,而输出功率100 kW的产品正处于接受订货 的阶段。人们认为，连续振荡输出功率的热损伤极限2 GW/cm2,而现在所达到的 功率是通过控制光纤结构，增加单模体积实现的。与 CO2激光器和YAG激光器 相比,光纤激光器是一种结构紧凑且体积小的激光装置 ，在10 kW的输出功率下, 芯径为200!m的光纤聚光性能优异，且无热损伤。若能提高LD的功率和亮度，则 以工业应用为开端，可制造出输出功率从100 kW到兆瓦级的高功率光纤激光器。 高功率激光器现已广泛应用于金属(10 cm)切割、焊接和原型复制等加工领 域。利用高功率和高亮度的光纤激光器进行加工时，即使

23、加工对象脱离光学系统 也能进行理想加工。过去工业界认为，激光加工机因价格昂贵而无法用于工业领 域。如今这种观念发生了变化，激光加工机已广泛应用于工业领域,如用于需要轻 便并进行高强度加工的汽车行业，对重、厚、长和大物体厚铁板的切割加工，以及 为进行补充加工或节省人工费而进行的精加工等领域。与过去的熔断方法相比， 这种可进行高精度加工的激光加工机具有综合性价比优异的特点，因此得到了广 泛应用。 下图为激光机工领域与功率图 ，e*JUF-UJUJy 44I0WL Esffi Polymef w6kng HarderwT We*Ong Soklnng如愴冲 Prtnbng lechfbOtCQy N

24、on-rra cuttng Metal 厂 2002 JDSU SP. IPG. im IPGt 2000 Oniling Dittractxxi hmrt厂 Overby Igu客 of high-power fiber lasers wrioc1030 Lasr power (wana 五、主要公司及其产品 IPG公司大功率光纤激光器的代表 YLP系列 是专为OEM应用而设计的一款免维护 MOPFA和Q-开关的脉冲掺镱光纤 激光器，这例激光器通过一条柔软的带有金属护套的单模光纤，将107Onm的高 功率激光直接引入集成设备（各种切割、焊接、打标等设备），经过准直扩束， 再聚焦后的光斑尺寸可以几个微米或更小。 这束接近衍射极限的超高质量的激光 可以用于打标、钻孔、或加工不同的材料。 YLP系列对于脉冲宽度、重复频率、 和峰值功率可以提供一个非常宽范的选择。 应用领域：电子五金、手机按键、医疗器件、产品包装、眼镜钟表、汽车配 件、在线生产、礼品广告、物质探测。 运行模式 脉冲 辐射带宽 v 5nm 单脉冲能量 0.25-1MJ