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光纤激光器的原理|分类|应用

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光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”,当适当加入正反馈回路便可形成激光振荡输出。其中的有源增益介质是掺杂有稀土元素如铒、镱、钕、镝、镨和钬的光纤,它们与掺杂光纤放大器有关,它们提供光放大而不需要激光。光纤激光是非线性的,受激拉曼散射或四波混频器也可以提供增益,从而用作光纤激光器的增益介质。

光纤激光器
掺铥光纤激光器的原理|特点|应用
掺铥光纤激光器的原理|特点|应用

  光纤激光器是以掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。掺铥光纤为增益介质的掺铥光纤激光器以其在2μm波段的重要地位,已在YL、激光遥感、激光测距、光谱分析、...[查看全部]

光纤激光器文章排行榜
光纤激光器发展历史|现状|趋势
光纤激光器发展历史|现状|趋势

  光纤激光器推动了现代社会各个领域的极速发展,其应用范围广泛,当前军事领域、工业领域、YL领域等多个行业都已经应用了光纤激光器相关研究成果,并且实现了行业的发展。光纤激光器的发展和应用,对推动社会多种产业都产生了巨大的作用。

光纤激光器的发展史

  所谓光纤激光器就是用光纤作激光介质的激光器。

  1964年世界上diyi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。所以在以后的二十余年中光纤激光器没有得到很好的发展。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及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,这种EDFA已经成为光纤通信中不可缺少的重要器件。由于要将半导体激光泵浦入单模光纤的纤芯(一般直径小于10um),要求半导体激光也必须为单模的,这使得单模EDFA难以实现高功率,报道的Zgao功率也就几百毫瓦。

  为了提高功率,1988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wan美的对称性,使得泵浦吸收效率不高,直到九十年代初矩形内包层的出现,使激光转换效率提高到50%,输出功率达到5瓦。

  1999年用四个45瓦的半导体激光器从两端泵浦,获得了110瓦的单模连续激光输出。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步提高,采用单根光纤,已经实现了1000瓦的激光输出。

  近期,随着光纤通信系统的广泛应用和发展,超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。其中,以光纤 作基质的光纤激光器,在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面,已明显取得进步,是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

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光纤激光器的原理|结构|作用
光纤激光器的原理|结构|作用

  光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,光纤激光器经过更新换代,已经具有了很大的突破,目前的光纤激光器都提升了输出功率、调谐范围,这两种特征是光纤激光器Z显著的特点。

光纤激光器的原理及结构

  光纤激光器采用光纤做工作介质,光纤渡导性质也会影响到光纤激光器的特性,光纤中进入泵浦光具有很多种模式,信号光电也可能会具备很多种模式,所以不同的泵浦模式会对不同的信号模式产生不同的影响,在一定程度上增加了分析光纤激光器的复杂程度,而光纤激光器也会在很大程度上受到光纤中的掺杂分布的影响,所以通常在光纤中掺杂进工作离子也就是杂质,使介质具备一定的增益特性。一般来说,工作离子都均匀分布于纤芯中,但是在光纤中的不同模式的泵浦光的分布并不是均匀的,所以为了有效提高泵浦效率,需要促进泵浦能量与离子分布的重合。

  光纤激光器与传统的固体、气体激光器相同,都是由泵浦源、谐振腔以及增益介质三个基本要素组成。泵浦源利用的是高功率半导体激光器,谐振腔可以用耦合器构成的各种环形谐振腔,也可以用由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔,而普通非线性光纤与稀土掺杂光纤是光纤激光器的主要的增益介质。在适宜的光学系统耦合下泵浦光进入增益光纤,而吸收泵浦光后的增益光纤会形成非线性增益或者粒子数反转,从而形成自发发射光,在经过谐振腔的选模与受激放大后,自发发射光Z终会形成稳定的激光输出。

  光纤激光器的激射状态分为三能级激射与四能级激射两种形式。它们之间的区别在于三能级系统中存在着较低能级,激光下能级为基态或者靠近基态的能级,而四能级系统中的基态能级与激光下能级之间具有一个跃迁,一般情况下为无辐射跃迁。将电子从基态提升到比激光上能级较高的一个或多个泵浦带,通过非辐射跃迁,电子通常会到达激光上能级泵浦带,并且以比较快的速度弛豫到寿命相对较长的亚稳态,积累在亚稳态上的电子数比激光下能级要多,因此产生了

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光纤激光器的分类
光纤激光器的分类

  光纤激光器是一种以光纤放大器的结构为基础发明出来的,将掺稀土元素玻璃光纤当做增益介质的激光器。与其他激光器相比,在技术特性方面具有无可比拟的优越性,因而在各方面都得到了极其广泛的应用。

光纤激光器的种类

  根据不同的分类依据,光纤激光器可以分成不同的种类:

  按照光纤材料的不同种类,光纤激光器可以分为晶体光纤激光器、塑料光纤激光器、稀土类掺杂光纤激光器和非线性光学型光纤激光器;

  按谐振腔的不同结构,光纤激光器可以分为环形腔、F-P 腔、“8”字形腔、DFB 光纤激光器以及 DBR 光纤激光器等;

  按照光纤结构的不同,光纤激光器可以分为特种光纤激光器、光子晶体光纤激光器、单包层光纤激光器和双包层光纤激光器;

  按照输出激光的不同特性,光纤激光器可以分为脉冲光纤激光器与连续光纤激光器;

  按照激光输出波长数目的不同,光纤激光器可以分为多波长光纤激光器与单波长光纤激光器;

  按照激光输出波长的可调谐特性的不同,光纤激光器可以分为可调谐多波长激光器与可调谐单波长激光器;

  按照激光输出波长波段的不同分类,光纤激光器可以分为 L-波段(1565-1610 nm)、C-波段(1530-1565 nm)以及 S-波段(1460-1530 nm);

  按照是否锁模,光纤激光器可以分为锁模激光器与连续光激光器;

  按照锁模器件的不同,光纤激光器可以分为主动锁模激光器与被动锁模激光器。

双包层光纤激光器

  双包层光纤激光器是新型光纤激光器发展的代表,其优点在于不需要将泵浦能量直接耦合到模场直径相对较小的光纤中去,而是采用低成本、大模场(多模)、高功率的半导体激光器作为泵浦源。近年来,这种激光器的研究受到了极大关注。双包层光纤激光器将多个光纤激光器的输出合并以提高功率,以满足工业和军事需要的高功率激光器。

  双包层光纤激光器是由同心的纤芯、内包层、外包层以及保护层组成。内包层和外包层有同

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光纤激光器优点
光纤激光器优点

  光纤激光器一直是激光范畴内备受关注与重视的焦点。光纤激光器跟气体激光器比较起来有着尤为明显的优势。主要优势有易操作、运作成本低、质量优良、重量轻便、体积精小等。

光纤激光器增益介质的表面积/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ZD考虑的,因此,该特点是光纤激光器所独有的。

光纤激光器具有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,工作效率更高,加工深度更深,加工质量更好等等。

光纤激光器具有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。

  光纤激光器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

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光纤激光器应用
光纤激光器应用

  光纤激光器在通信、军事、YL和光信息处理等领域都将有广阔的应用前景。特别是在光通信领域,随着光波分复用和光时分复用技术的发展,光纤激光器将能很好地满足通信系统对光源的更高要求。

光纤激光器在通信领域的应用

  全光通信网络是光纤激光器在通信领域里Z为突出的应用。全光通信网络在应用层面主要表现为:掺铒光纤激光器能够供给1.30与1.55微米波段的激光,所处的位置是光通讯的两个窗口上,在双包层掺镱光纤激光器呈现出来便进一步解决了拉曼光纤放大器的泵浦源缺陷。除此之外,大功率的光纤激光器不但能够实现高速度的信息传输,让实现全光通信系统取到了重要作用。

光纤激光器在医学领域的应用

  光纤激光器在医学领域的应用主要集中于生物医学领域。在手术刀与止血方面用光纤激光器有着非常显著的效果,并且得到了医院职员很大程度上的肯定。引进功率高的光纤激光器能够缩短手术的用时,例如光致凝结手术与组织脱落手术等。在眼科手术中,应用光纤激光器还能提高修复眼 角膜手术的成功率,也可以ZL近视、远视等。

  由此可见,光纤激光器在医学领域中有着极其广泛的应用,并且在未来的应用发展研究工作中,光纤激光器运用于医学领域将会有更加广阔的空间。就目前而言,激光医院技术Z为先进的是美国,ZG还处于进步阶段。

光纤激光器在工业领域的应用

  光纤激光器在工业领域有着尤为广泛的应用。在工业加工中运用大功率的光纤激光器能够提高工业加工环节的工作效率且运作费用低。因此,大功率光纤激光器是未来工业制造中一种尤为重要的加工方式。在激光打标中,因为光纤激光器有着相当高的光束质量与稳定极ng准度,所有利用激光打标系统能够解决以前二氧化碳激光以及脉冲激光打标系统效率低下的缺陷。在石油矿产中,由于需要给井下供给一定的能量,解决这一难题可以利用高功率的光纤激光器实现,主要是通过光纤解决这一难题,并且在建井和完井环节有着尤为重要的作用。

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大功率光纤激光器
大功率光纤激光器的优势|应用

  目前大功率激光器的应用越来越广泛,其中尤以大功率光纤激光器Z为突出,并且光纤激光器在加工领域有取代传统的YAG、CO2激光器的趋势。目前成功商用化的大功率光纤激光器功率可达千瓦甚至万瓦的数量级。

大功率光纤激光器的优势

  与同等功率水平的传统固体激光器或气体激光器相比,大功率光纤激光器无论在光束质量、工作效率、结构体积和系统维护等方面,均占有明显的优势,具体表现在:

  1、由于双包层光纤独特的波导结构,使得输出激光具有光斑小、亮度高、接近衍射极限的光束质量。

  2、光纤的损伤阈值高(一般为1.5W/μm2),易于达到高功率,转换效率高,通过选择不同的稀土掺杂光纤或不同反射特性的光纤光栅,可以得到很宽工作波长范围的光纤激光器。

  3、由于表面积与活性介质体积比高,其散热性能好,不需要特殊制冷。百瓦量级的光纤激光器采用简单的风冷即可。

  4、结构简单、体积小、重量轻、性能稳定、可靠性好,对灰尘、震荡、冲击、湿度等具有很高的容忍度,使用灵活方便。

  5、造价不断降低。

大功率光纤激光器的应用

  大功率光纤激光器凭借其一系列优点,以及可达几十千瓦的输出功率,使其应用范围逐渐从光通信领域扩展到工业加工、材料处理、生物医学、国防等越来越广泛的领域中。

  大功率光纤激光器应用于通讯领域:

  在通讯领域,应用Z多而且对光纤激光器推动Zda的就是全光通讯网络。掺铒光纤激光器提供的1.3μm和1.55μm波段的激光,处于光通讯的两个低损耗窗口上。双包层掺镱光纤激光器的出现,解决了拉曼光纤放大器的泵浦源问题,这种拉曼光纤放大器可以工作在光通信窗口的任意波长处,并对光信号进行在线放大,是长距离、超长距离通信实现信号放大的理想选择。大功率光纤激光器另一个发展方向是将其应用到光孤子通讯和空间通讯领域,实现远距离、无差错通信。

  大功率光纤激光器应用于工业加工:

  在工业加工方面,激光加工技术是利用激光

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掺铥光纤激光器
掺铥光纤激光器的原理|特点|应用

  光纤激光器是以掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。掺铥光纤为增益介质的掺铥光纤激光器以其在2μm波段的重要地位,已在YL、激光遥感、激光测距、光谱分析、空间光通信和军事等方面凸显优势。

掺铥光纤激光器的原理

  激光产生的基本条件可归纳为:形成粒子数反转、提供光反馈、满足激光振荡的阈值条件。因而激光器通常由激光工作介质(增益介质)、泵浦源、光学谐振腔组成。掺铥光纤激光器虽然与其他类型的激光器在形态、材料以及内部构造等方面大相径庭,但其基本工作原理相同,都是由泵浦源、增益介质和谐振腔三部分构成。

  掺铥光纤激光器一般选用大功率的LD二极管阵列作为泵浦源。光纤激光器的增益介质为掺杂光纤,掺杂光纤放置在两个反射率经过选择和设计的腔镜之间,泵浦光从光纤激光器的前腔镜耦合进入掺杂光纤。这里的谐振腔由两个二色镜构成,可以直接在光纤端面上镀膜,另外也可以采用光纤光栅或者定向耦合器的方式构成谐振腔。为了充分利用泵浦光,获得高功率的激光输出,要求前腔镜对泵浦光高透低反,而对信号光高反,后腔镜对泵浦光高反,而对信号光部分透过,但实际上,由于后腔镜很难同时满足对激光和泵浦光的透射和反射要求,不可避免的会有少量泵浦光从后腔镜输出。

  泵浦光通过掺杂光纤时,就会被光纤纤芯中的稀土离子所吸收,吸收了光子能量的稀土离子就会跃迁到激光上能级,在形成激光的上下两个能级之间形成粒子数反转。反转后的粒子数又以自发辐射或者受激辐射等形式跃迁到激光下能级,并且释放光子,当加入反馈回路(构成谐振腔)便会形成激光振荡,并输出激光。

掺铥光纤激光器的特点

  掺铥光纤激光器作为第三代激光技术的代表,比起目前其他类型的激光器,无论在效率、体积、冷却和光束质量等方面均具有无可比拟的优势。主要表现在:

  1、结构简单,体积小巧,使用灵活方便。掺铥光纤激光器的泵浦源采用体积小巧易于模块化的高功率半导体激光器,并利用光纤本身作为增

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