光纤激光器的原理与结构

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。
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
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。
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：
保护层 外包层 内包层 纤芯
圆形内包层双包层 光纤横剖面
D型内包层双包层 光纤横剖面
偏心型内包层 双包层光纤横剖面
1987年YABLONOVITCH和JOHN最早提出了光子晶体 （Photonics crystal)概念，1992年RUSELL等人得出了光子 晶体光纤（PCF）概念，在石英光纤中沿轴向均匀排列着 空气孔，从横截面上看二维的周期结构，孔的中间存在着 一个缺陷，光就被限制在这个缺陷中传播。通过控制PCF 的空气孔的排列和大小，可以实现不同的光传输出特性。

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；
保护层 外包层 内包层 纤芯
正方形内包层 双包层光纤横剖面
星型内包层 双包层光纤横剖面
长方形内包层 双包层光纤横剖面
圆形、偏心、D形、矩形内包层的双包层光纤吸收效率比较
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:
光纤激光器的原理与结构
光纤激光器发展Biblioteka Baidu史



1964 世界上第一个玻璃激光为钕玻璃光纤激光 (Appl.Opt.,3.1964.1182） 1987 英南安普顿大学（Elect.Lett.,23.1987.1026）和美 国贝尔实验室（Opt.Lett.,12.1987.888）用掺Er单模光 纤实现光通讯中的光放大。 1988 年提出泵浦光进入包层的思想(Optical Fiber Sensors.,PD5.1988) 1993 长方形内包层光纤激光器。光－光效率50％，功 率5W）（Elect.Lett.,29.1993.1500） 1999 用4只45W半导体激光泵浦掺镱双包层光纤，实现 110W输出，波长1120nm的激光输出 （ Elect.Lett.,35.1999.1158） 2002年 采用双波长泵浦钕／镱共掺杂的双包层光纤， 获得150W激光输出（CLEO,2002）
晶体光子光纤的发展
双空气包层光子晶体光纤
2003年3月，德国科学家LIMPERT等人 报道了用2.3m长的空气包层掺镱大模式 面积光子晶体光纤激光器获得了80W的 输出功率，斜效率78%，M2=1.2
2003年1月Jena的IPHT报道了其采用双重涂覆的掺Yb光纤 的200W光纤激光（SPIE，4974） 2003年2月Southampton Photonics, Inc.（SPI） 宣布掺Yb 光纤实现了270 W（1080nm）单模激光输出 2003年5月，IPG公司宣布实现了300 W 的单模光纤激光 2003年7月，SPI公司和英国的南安普墩大学合作，实现 了600W的光纤激光(M² =1.26) 2004年1月，SPI在Photonics West’2004上，报告单根光纤 实现了1千瓦的激光功率输出。后来又实现了1.36kW输出。 Opt. Express 12, 6088-6092 (2004) 2005年1月, IPG photonics, 2kW (amplifier) 2008年1月, IPG photonics, 20 kW (amplifier)
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。
泵浦光 掺杂光纤
圆盘主体结构
低折射率层
下图表示各种形状：盘状、片状、圆柱 状、环状、棒状等不同结构。
输出 耦合波导
光纤盘 输入
LD
冷却板
六、光子晶体光纤(Photonic crystal fiber)的发展
1)
2)
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。
1.双包层 光纤激光器

双包层掺杂光纤的构形如下图所示
内包层
光纤芯
保护层
激光输出
泵浦光
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 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。
二、光纤激光器的基本结构

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

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１５ ０mm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。
国内研究的最新成果
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。
V形槽泵浦方式
泵浦方式
微棱镜泵浦方式
嵌入镜泵浦方式
光栅侧面泵浦方式
IPG公司光纤激光器泵浦激光二极管预计寿命
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北京交通大学196W激光输出
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清华大学研制的最大714W的光纤激光器
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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