《激光原理》课件：2-4

1、2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 激光器问世不久，美国光学公司（激光器问世不久，美国光学公司（American American optical corporationoptical corporation）的）的Snitzer Snitzer 和和KoesterKoester于于年首先提出光纤激光器和放大器的构思。年首先提出光纤激光器和放大器的构思。年高锟和年高锟和HockhamHockham提出了光纤通信的基提出了光纤通信的基本概念。年后光纤通

2、信经历研究开发阶本概念。年后光纤通信经历研究开发阶段（），实用化阶段（段（），实用化阶段（）迅速进入年以后的大）迅速进入年以后的大规模光纤通信建设阶段。规模光纤通信建设阶段。 2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 随着光通信的迅猛发展，光纤制造工艺与随着光通信的迅猛发展，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、大学和通讯研究实验室、德国汉堡技术大学、美国的美国的Polaroid Corporatio

3、n,BellPolaroid Corporation,Bell实验室，实验室，日本的、均在光纤激光器研究日本的、均在光纤激光器研究中取得许多重要成果。中取得许多重要成果。 2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 近年来，美国近年来，美国IPG PhotonicsIPG Photonics公司异军公司异军突起，不仅展示，突起，不仅展示，Bands Bands 的各种的各种光纤放大器，高功率的，光纤放大器，高功率的，RamanRaman光纤光纤激光器和双波长激光器和双波长RamanRaman光纤激光器，更引起国光纤激光器，更引起国际关注的是该公司已推出各种商用掺际关注的是该公

4、司已推出各种商用掺YbYb高功高功率光纤激光器，最大功率达率光纤激光器，最大功率达1 1万瓦；单模输出万瓦；单模输出功率高达功率高达1000W,1000W,光束质量非常好，光束质量非常好，M M2 2小于小于1.11.1。2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 高功率光纤激光器具有高功率光纤激光器具有光束质量好、寿命长、光束质量好、寿命长、转换效率高的优点，转换效率高的优点，其主要性能已明显优于半导其主要性能已明显优于半导体激光泵浦的固体激光器和体激光泵浦的固体激光器和COCO2 2激光器。从发展态激光器。从发展态势看，光纤激光器不仅在光纤通信领域有重要的势看，光纤激光器

5、不仅在光纤通信领域有重要的应用而且迅速地向其他激光应用领域扩展，这是应用而且迅速地向其他激光应用领域扩展，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。度迅速发展的、有重要应用前景的激光器。 2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环 。谐振腔谐振腔耦合光学系统耦合光学系统工作物质工作物质(增益光纤增益光纤)准直光学系统准直光学系统LD泵浦源泵浦源 光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本光纤激光器的基本结构与固体激光器

6、的结构基本相同，如下图所示：相同，如下图所示：2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 光纤激光器大致可分为三类光纤激光器大致可分为三类: （1）稀土元素掺杂光纤激光器）稀土元素掺杂光纤激光器 掺杂离子可为掺杂离子可为Nd3+，Er3+，Yb3+，Tm3+等，基质等，基质可以是石英玻璃，氟化锆玻璃，磷酸盐玻璃、单晶、可以是石英玻璃，氟化锆玻璃，磷酸盐玻璃、单晶、光子晶体光纤等。光子晶体光纤等。 （2）染料光纤激光器）染料光纤激光器 纤芯、包层或二者加入激光染料。纤芯、包层或二者加入激光染料。 （3）非线性光纤激光器）非线性光纤激光器 利用光纤中的利用光纤中的SRS，SBS非

7、线性效应产生波长可非线性效应产生波长可变换的激光。变换的激光。2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器三、光纤激光器的主要特点三、光纤激光器的主要特点 （1）光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易）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；高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点； （2）由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设）由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小

8、巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统集成、性能价格比高；集成、性能价格比高； 2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 （3）由于光纤具有很高的）由于光纤具有很高的“表面积表面积/体积体积”比，散热比，散热效果非常好，所以光纤激光器可以工作在效果非常好，所以光纤激光器可以工作在-2070的的环环境温度内，不需要庞大的水冷系统，只需简单的风冷即境温度内，不需要庞大的水冷系统，只需简单的风冷即可，且可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、可，且可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件下正常运转；高温度、有灰尘的条

9、件下正常运转； （4）具有相当好的可调谐参数和选择性，能获得宽）具有相当好的可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围（调谐范围（380nm3900nm）和相当好的单色性和高稳）和相当好的单色性和高稳定性，使用寿命长，平均无故障工作时间在定性，使用寿命长，平均无故障工作时间在10kh甚至甚至100kh以；以； （5）采用特殊的器件结构可获得高功率输出或超短）采用特殊的器件结构可获得高功率输出或超短脉冲输出。脉冲输出。2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 光纤激光器不仅与固体、气体、半导体激光光纤激光器不仅与固体、气体、半导体激光器等相比，有非常明显的优越性，而且与二极管器等相

10、比，有非常明显的优越性，而且与二极管泵浦固体激光器相比，也有更好的光束质量，可泵浦固体激光器相比，也有更好的光束质量，可得到更小的聚焦光斑。随着光纤激光器应用的更得到更小的聚焦光斑。随着光纤激光器应用的更加广泛，对高功率光纤激光器的需要越来越大。加广泛，对高功率光纤激光器的需要越来越大。为了获得高功率输出，关键之一是包层泵浦技术为了获得高功率输出，关键之一是包层泵浦技术（Cladding pumped technology）。）。2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器双包层掺杂光纤的构形如下图所示。双包层掺杂光纤的构形如下图所示。 光纤芯光纤芯外包层外包层保护层保护层激光

11、输出激光输出泵浦光泵浦光2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 双包层掺杂光纤由纤芯、内包层、外包层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。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。层的几

12、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。内包层和外包层的面积比。2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器 美国美国IPG公司相继推出输出功率为公司相继推出输出功率为700W、2KW和和10KW的掺的掺Yb双包层高功率光纤激光器产品。双包层高功率光纤激光器产品。为了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。导体二极管作为泵浦源，其基本结构如图所示。 2.4 光纤光纤激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器2、高功率光纤激