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《光纤激光器》课件
光纤激光器市场规模持续增长 应用领域不断扩展，如医疗、通信、军事等 技术不断进步，如高功率、高亮度、高稳定性等 市场竞争加剧，国内外企业竞争激烈
工业制造：广泛应用于切割、焊接、打标等领域 医疗领域：用于手术、诊断、治疗等 科研领域：用于科学研究、实验等 通信领域：用于光纤通信、光传输等 军事领域：用于激光武器、激光制导等 环保领域：用于污染治理、资源回收等
频率调制是指通过改变激光 器的频率来改变其输出功率
光纤激光器的调制特性包括频 率调制、相位调制和强度调制
相位调制是指通过改变激光 器的相位来改变其输出功率
强度调制是指通过改变激光 器的强度来改变其输出功率
光纤激光器具有较高的抗电磁 干扰能力
光纤激光器对环境温度和湿度 的变化不敏感
光纤激光器可以工作在恶劣的 环境中，如高温、高压、高湿 度等
特点：高效、稳定、长寿命
作用：产生激光
组成：由两个反射 镜和一个增益介质 组成
工作原理：通过反 射镜的反射和增益 介质的放大，形成 稳定的激光输出
特点：具有高稳定 性和高效率
光纤：传输激光信号 激光器：产生激光信号
光束整形器：调整激光束的形状和方向
光束传输系统：将激光信号传输到目标 位置
控制系统：控制激光器的输出功率和频 率
激光制导武器：利 用光纤激光器进行 精确制导，提高打 击精度
激光通信：利用光 纤激光器进行远距 离、高速率的通信 传输
激光雷达：利用光 纤激光器进行目标 探测和跟踪，提高 探测精度和距离
激光武器：利用光 纤激光器进行高能 激光武器研发，提 高武器威力和射程
激光手术：用于眼 科、皮肤科、耳鼻 喉科等手术
PART THREE
材料：稀土离子掺杂光纤
光纤激光器ppt
Resonant Fiber Laser光纤激光器BY 12046210目录概述原理特性光纤激光器优势光纤激光器关键技术总结光纤激光器概述自从光纤激光器问世后，高功率光纤激光器成为激光领域最为活跃的研究方向之一。
随着新型泵浦技术的采用和大功率半导体激光器制造工业的进一步发展成熟，光纤激光器得到了飞速发展。
光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。
从原理上来讲光纤激光器和传统的固体、气体激光器一样，光纤激光器也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本要素组成。
泵浦源一般采用高功率半导体激光器，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。
泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发发射。
所产生的自发发射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。
以稀土掺杂光纤激光器为例，掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从M1入射到光纤中，从M2输出激光。
当泵浦光通过光纤时，光纤中的稀土离子吸收泵浦光，其电子被激励到较高的激发能级上，实现了离子数反转。
反转后的粒子以辐射形成从高能级转移到基态，输出激光。
光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具备很多优势（1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势；（2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；（3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低；（4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多；（5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。
光纤激光器 PPT课件
7
7.3 激光打孔
二、激光打孔工艺参数的影响
※ 激光打孔中离焦量对打孔的影响 当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一 位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大 降低，以至打成盲孔（图7-15）。
图7-15 离焦量对打孔质量的影响
8
7.3 激光打孔
图9-6 受激拉曼散射光纤激光器示意图
14
9.1.2 光纤激光器
2.光纤激光器的分类及应用 (3)光纤光栅激光器 DBR光纤激光器基本结构如图9-7所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振 波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。
图9-7 DBR光纤光栅激光器基本结构示意图
DFB光纤光栅激光器基本结构如图9-8所示，在稀土掺杂光纤上直接写入的光栅 构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。
10
7.4 激光切割
二、激光切割分类及其机理
※ 汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分 材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ /cm2左右，是无熔化材料的切割方式 ※ 熔化切割: 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流 将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右
※ 氧助熔化切割: 金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应 （即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体 压力将氧化物从切缝中吹掉。
三、激光切割的工艺参数及其规律
※ 激光功率: 激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。 ※ 切割速度: 在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表 面粗糙度也有较大影响。
7.3 激光打孔
二、激光打孔工艺参数的影响
※ 激光打孔中离焦量对打孔的影响 当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一 位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大 降低，以至打成盲孔（图7-15）。
图7-15 离焦量对打孔质量的影响
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7.3 激光打孔
图9-6 受激拉曼散射光纤激光器示意图
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9.1.2 光纤激光器
2.光纤激光器的分类及应用 (3)光纤光栅激光器 DBR光纤激光器基本结构如图9-7所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振 波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。
图9-7 DBR光纤光栅激光器基本结构示意图
DFB光纤光栅激光器基本结构如图9-8所示，在稀土掺杂光纤上直接写入的光栅 构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。
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7.4 激光切割
二、激光切割分类及其机理
※ 汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分 材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ /cm2左右，是无熔化材料的切割方式 ※ 熔化切割: 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流 将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右
※ 氧助熔化切割: 金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应 （即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体 压力将氧化物从切缝中吹掉。
三、激光切割的工艺参数及其规律
※ 激光功率: 激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。 ※ 切割速度: 在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表 面粗糙度也有较大影响。
光纤激光器共35页37页PPT
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
光纤激光器共35页
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
45、自己的饭量自己知道。——苏联
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光纤激光器简介 PPT课件
在工业领域，可用于激光打标、激光焊接、激光切割等。
谢谢！
光纤激光器的特点
1.光束质量好，具有非常好的单色性、方向性和稳定性。 2.成本低。硅光纤的工艺现在已经非常成熟，并使用相对廉价的半导 体激光二极管作为泵浦源，降低了成本。 3.转换效率高。光纤既是激光增益介质又是光的导波介质，因此泵浦 光的耦合效率非常高；纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，加上光纤 激光器能方便地延长增益长度，使泵浦光充分吸收，转换效率较高。 4.输出波长多，调谐方便。作为激光介质的掺杂光纤，稀土离子拥有 极为丰富的能级结构，能级跃迁覆盖了从紫外到红外很宽的波段，可实 现激光振荡的跃迁能级很多。由于稀土离子能级宽加上玻璃光纤的荧光 谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器，调谐范 围宽。
5.温度稳定性好。基质材料是SiO2，具有极好的温度稳定性；而且光 纤结构具有较高的面积－体积比，所以其散热效果很好。
6.结构简单，小型化。由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸，容易耦合 到系统中，采用光纤光栅、耦合器等光纤元件极大地简化了激光器的设 计和制作，加上光纤极好的柔韧性，可设计得小巧灵活。
7.谐振腔内无光学镜片，腔镜可直接制作在光纤截面上，或采用光纤 耦合器方式构成谐振腔，具有免调节、免维护、高稳定性的优点。
光纤激光器的分类
分类依据
光纤激光器
谐振腔的结 F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形
构
腔DBR光纤激光器、DFB光纤激光器
光纤结构
单包层光纤激光器、双包层光纤激光器
增益介质 工作机制
稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶 光纤激光器、塑料光纤激光器
上转换光纤激光器、下转换光纤激光器
掺杂元素 输出波长 输出激光
谢谢！
光纤激光器的特点
1.光束质量好，具有非常好的单色性、方向性和稳定性。 2.成本低。硅光纤的工艺现在已经非常成熟，并使用相对廉价的半导 体激光二极管作为泵浦源，降低了成本。 3.转换效率高。光纤既是激光增益介质又是光的导波介质，因此泵浦 光的耦合效率非常高；纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，加上光纤 激光器能方便地延长增益长度，使泵浦光充分吸收，转换效率较高。 4.输出波长多，调谐方便。作为激光介质的掺杂光纤，稀土离子拥有 极为丰富的能级结构，能级跃迁覆盖了从紫外到红外很宽的波段，可实 现激光振荡的跃迁能级很多。由于稀土离子能级宽加上玻璃光纤的荧光 谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器，调谐范 围宽。
5.温度稳定性好。基质材料是SiO2，具有极好的温度稳定性；而且光 纤结构具有较高的面积－体积比，所以其散热效果很好。
6.结构简单，小型化。由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸，容易耦合 到系统中，采用光纤光栅、耦合器等光纤元件极大地简化了激光器的设 计和制作，加上光纤极好的柔韧性，可设计得小巧灵活。
7.谐振腔内无光学镜片，腔镜可直接制作在光纤截面上，或采用光纤 耦合器方式构成谐振腔，具有免调节、免维护、高稳定性的优点。
光纤激光器的分类
分类依据
光纤激光器
谐振腔的结 F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形
构
腔DBR光纤激光器、DFB光纤激光器
光纤结构
单包层光纤激光器、双包层光纤激光器
增益介质 工作机制
稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶 光纤激光器、塑料光纤激光器
上转换光纤激光器、下转换光纤激光器
掺杂元素 输出波长 输出激光
光通信系统光源--光纤激光器PPT90页
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
光通信系统光源--光纤激光器
•
46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
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47、采菊东篱下，悠然见南山。
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48、啸傲东轩下，聊复得此生。
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49、勤学如春起之苗，不见其增，日 有所长 。
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50、环堵萧然，不蔽风日；短褐的阅读
光通信系统光源---光纤激光器PPT共89页
谢谢！
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
光通信系统光源---光纤激光器 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
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这种“任意形状”的光纤激光器有望实现更高的激 光功率输出。
3.光纤激光器的泵浦结构
4.光纤激光器和其它激光器比较
和二氧化碳激光器比较 • 有更高峰值功率的脉冲激光，可以加工的材料种类更多； • 使用方便，采用光纤传输可以有更大的扫描范围； • 能量转换效率高，光纤激光器的电光转换效率为25％，而二氧化碳
光纤激光器
• 光纤激光器的发展历程 • 光纤激光器的基本原理 • 光纤激光器与其它激光器比较 • 几种实用的光纤激光器及其应用
1.光纤激光器的发展历程
2.光纤激光器的基本原理
• 工作物质：掺杂光纤； • 谐振腔：光纤环与两个反射镜组成； • 泵浦源：一般采用半导体激光器泵浦。
2.1 双包层稀土掺杂光纤
• redPOWERTM 紧凑激 光模块 (2W-10W)
• 最大输出可达10W， 波长1μm
5.2 大功率双掺杂光纤激光器 2
• IPG公司的大功率光纤 激光器YLR-SM Series
• 100W to 1.5kW output Optical Power
• 1060 to 1080nm Wavelength Range
5.8 高速短脉冲光纤激光器
美国Calmar公司10G皮 秒光纤激光器 PSL-10XX
• 波 长 范 围 ： 1530-1565 nm可调或范围内固定
• 重复频率：5-11G可调或 10G固定，脉宽：1-10ps 可调或范围内固定，平 均输出功率：>20mW
• 高速短脉冲光源对于光 时分复用系统，光学取 样技术等有重要的意义，
DBR型窄线宽光纤激光器
5.6 窄线宽光纤激光器 1
• NP Photonics 公司的窄 线宽光纤激光器
• Very narrow linewidth (long coherent length) <3 kHz
• Up to 150 mW output power
• Single longitudinal mode • Single polarization
5.8 超短脉冲光纤激光器 2
• IPG 公司的飞秒光纤激 光器
• Up to 50kW Peak Power
• <5ps Pulse Duration • Up to 200nJ per Pulse • Up to 10W average
power • >100,000hrs Pump
Diodes Life
Байду номын сангаас
5.8 超短脉冲光纤激光器 3
• 美国Polaronyx公司飞 秒光纤激光器（模块）
• 波长范围：1530-1600 nm内固定
• 重 复 频 率 ： 35-60MHz 范围内固定
• 脉宽：100fs（典型） • 平均功率：100mW • 峰值功率：0.5-20KW
6.光纤激光器前景与展望
目前，光纤激光器可实现800nm－2100nm波段的激光输出， 最大功率已达到万瓦量级，应用在光通信、激光加工、激光 打标、图像显示、生物工程、医疗卫生等领域。
operation
5.6 窄线宽光纤激光器 2
• 美国Polonyx公司的窄线 宽光纤激光器
• linewidth 5 kHz • Up to 200 mW
output power
• 输出稳定性（8小时）： ±0.05dB
5.7 超窄线宽光纤激光器在光纤传感中的应用
• 它的基本应用原理就是频率调制连续波技术（FMCW），在FMCW技术中， 激光输出频率围绕它的中心频率不断变化，而激光的一部分光被耦合进一个 有固定反射率的参考臂中，在外差相干探测系统中，该参考臂就充当了一个 本地振荡器的作用。充当传感作用的是另一跟很长的光纤。从传感光纤反射 回来的激光与来自本地振荡器的参考光一起混合产生一个光拍频，该频率与 它所经历的时间延迟差相对应。传感光纤上的远处信息就可以通过测量光谱 分析仪上的光电流的拍频来获取。传感光纤上的分布式反射可以是最简单的 瑞利后向散射。通过这种相干探测技术，敏感度低至-100db的信号都能很轻 易地探测到。对于任何一套相干FMCW技术系统而言，最关键的部分是要一 台相干长度很长的光源来实现很高的空间精度和大的测量范围。
5.7 超窄线宽光纤激光器在激光测距中的应用
超窄线宽光纤激光器能够广泛应用于几百公里的激光 目标指示和激光测距。一套超远距离的激光指示/测距由激 光器、准直器和接收器、信号分析仪组成。窄线宽激光器的 频率成线性快速调制，通过测量从目标处反射回来的的信号 光与参考光一起混频产生光电流便可获取远处的信息。
未来光纤激光器的发展趋势：
（1）光纤激光器本身性能的提高。如何提高输出功率和转换效 率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并 使其更加小巧紧凑将是未来光纤激光器领域研究的重点。
（2）新型光纤激光器的研制。 在时域方面，具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器
一直是激光领域研究的热点，高功率飞秒量级脉冲光纤激光 器一直是人们长期追求的目标，该领域研究的突破不仅可以 给光通信时分复用（OTDM）提供理想的光源，而且可以有 效带动激光加工、激光打标及激光加密等相关产业的发展。
5.8超短脉冲光纤激光器 1
• 美国Calmar公司飞秒光 纤激光器。FPL-0X-XX
• 波长范围：1535-1560 nm可调或范围内固定
• 重 复 频 率 ： 20M 或 1050M可调，
• 脉 宽 ： <100fs-1000fs 可 调或范围内固定，平均 输出功率：50-100mW
• 超短脉冲光源可以用做 大型激光系统的种子光 源，同时在时间定标等 领域有重要的应用
• 激光雕刻， 右图为激光 雕刻的示意 图
• 下图为激光 雕刻的图形
5.3 光纤激光器打标系统的应用 2
• 光纤激光器可以用于 材料的改性，右图为 示意图
• 下图为材料改性的例 子
5.3 光纤激光器打标系统的应用 3
• 大功率光纤激光 器可以用于激光 切割和剥离。右 图为示意图
• 下图为剥离出来 的图形
在频域方面，宽带输出可调谐的光纤激光器将成为研究热 点
The end !
2.1.1 掺杂稀土离子
是光纤激光器的核心，它决定着对光泵浦 的吸收和激射光谱，稀土元素通常以三价形式 发生离化。
稀土离子在光纤中的掺杂浓度是非常重要 的，浓度太低得不到足够的离子数实现激射， 浓度过高又会引起浓度碎灭和结晶，从而降低 激发态能级的粒子数。对于某一种光纤其掺杂 浓度通常存在一个最佳的掺杂浓度。
近年来人们在高功率光纤激光器泵浦结构方面又有 一些新的探索，日本科学家提出“任意形状激光器”方 案，该方案将掺稀土元素光纤盘成圆盘状或圆柱状等不 同形状，在光纤缝隙间填充与光纤包层同折射率的材料， 泵浦光从边缘注入，这样泵浦光的吸收面积比单根双包 层光纤内包层的面积大大增加，而且泵浦光多次通过掺 杂纤芯，也将使掺杂元素对泵浦光吸收更加充分。
2.2 光纤激光器的谐振腔
2.2.1 Fabry-Perot腔： 将增益介质放置于两块具有高反射率的镜子中
间而组成。此种结构简单、方便。
• 最常见的F-P腔是：用光纤光栅WDM耦合器 或光纤环路镜代替介质镜。
• 由于掺杂光纤本身的增益较大，光纤端面输 出藕合器往往只是采用光纤端面抛光形成的 镜面;利用玻璃与空气界面片的镜面反射作为 输出耦合镜。
激光器只有5％； • 光束质量好。
和YAG激光器比较 • 光光转换效率高，光纤激光器的转换效率为70％，YAG只有20％； • 使用寿命长； • 无需复杂的冷却系统； • 容易调节； • 光纤传输，不怕污染，光束质量好。
光纤激光器与YAG固体激光器的价格比较
5.几种典型的光纤激光器及其应用 5.1大功率光纤激光器
2.2 环型谐振腔
（1）不需使用反射镜， 可做成全光纤谐振腔。
（2）可以用来产生线 宽非常窄的激光器。
（3）波长可以由可调 F-P滤波器控制，而不 是由光纤环的长度控制。
（4）光隔离器可以抑 制反向传播的激光模式。
3.光纤激光器的泵浦结构
泵浦结构的设计是高功率光纤激光器的一项关键技 术。在初始研究阶段端面泵浦和侧向泵浦结构被广泛采 用，端面泵浦技术受包层横截面积的限制影响泵浦功率 进一步提高。而侧向泵浦技术由于采用透镜准直聚焦而 使系统稳定性下降，不利于实用化。
5.4 连续激光和脉冲激光打标的比较
左图为连续打标系统的效果，右图为脉冲激光 打标系统的效果。
5.5 窄线宽光纤激光器
• 实现窄线宽的相关技术
主要采用光纤光栅或者 光纤F-P干涉仪等滤波 器进行线宽压缩；
• 窄线宽光纤激光器的应 用：
窄线宽光纤激光器的相 关长度长，在相关光通 信系统，光纤传感系统， 光学测量系统中有很好 的应用前景。
2.1.2 双包层光纤的结构
对于圆形内包层的双包层光纤，由于大量螺旋光的存在，纤芯 的吸收效率只有10％，因此内包层形状设计也是提高泵浦吸 收效率的关键。 按照泵浦光被吸收程度高低排序是：
矩形内包层（最高），D形内包层，偏芯结构和同心 圆形内包层。
各种非圆对称结构内包层几乎达到百分之百的
高吸收效率。原因在于：破坏了泵浦光在圆形内包 层中的螺旋光的传播，改变了光线在光纤中的分布， 使得泵浦光在有限的距离内更充分的经过纤芯被掺 杂离子吸收。
• >100khrs Estimated Pump Diode MTBF
5.3 光纤激光器打标系统
• 大功率双包层光纤 激光器打标系统的 光路图
• JDS Uniphase's Continuous Wave (CW) Fiber Laser Marking (FLM) System
5.3 光纤激光器打标系统的应用 1
• 实现大功率输出的主要技术： 采用包层泵浦技术，采用特种光纤作为增益 介质，同时采用特种材料制造光纤.
3.光纤激光器的泵浦结构
4.光纤激光器和其它激光器比较
和二氧化碳激光器比较 • 有更高峰值功率的脉冲激光，可以加工的材料种类更多； • 使用方便，采用光纤传输可以有更大的扫描范围； • 能量转换效率高，光纤激光器的电光转换效率为25％，而二氧化碳
光纤激光器
• 光纤激光器的发展历程 • 光纤激光器的基本原理 • 光纤激光器与其它激光器比较 • 几种实用的光纤激光器及其应用
1.光纤激光器的发展历程
2.光纤激光器的基本原理
• 工作物质：掺杂光纤； • 谐振腔：光纤环与两个反射镜组成； • 泵浦源：一般采用半导体激光器泵浦。
2.1 双包层稀土掺杂光纤
• redPOWERTM 紧凑激 光模块 (2W-10W)
• 最大输出可达10W， 波长1μm
5.2 大功率双掺杂光纤激光器 2
• IPG公司的大功率光纤 激光器YLR-SM Series
• 100W to 1.5kW output Optical Power
• 1060 to 1080nm Wavelength Range
5.8 高速短脉冲光纤激光器
美国Calmar公司10G皮 秒光纤激光器 PSL-10XX
• 波 长 范 围 ： 1530-1565 nm可调或范围内固定
• 重复频率：5-11G可调或 10G固定，脉宽：1-10ps 可调或范围内固定，平 均输出功率：>20mW
• 高速短脉冲光源对于光 时分复用系统，光学取 样技术等有重要的意义，
DBR型窄线宽光纤激光器
5.6 窄线宽光纤激光器 1
• NP Photonics 公司的窄 线宽光纤激光器
• Very narrow linewidth (long coherent length) <3 kHz
• Up to 150 mW output power
• Single longitudinal mode • Single polarization
5.8 超短脉冲光纤激光器 2
• IPG 公司的飞秒光纤激 光器
• Up to 50kW Peak Power
• <5ps Pulse Duration • Up to 200nJ per Pulse • Up to 10W average
power • >100,000hrs Pump
Diodes Life
Байду номын сангаас
5.8 超短脉冲光纤激光器 3
• 美国Polaronyx公司飞 秒光纤激光器（模块）
• 波长范围：1530-1600 nm内固定
• 重 复 频 率 ： 35-60MHz 范围内固定
• 脉宽：100fs（典型） • 平均功率：100mW • 峰值功率：0.5-20KW
6.光纤激光器前景与展望
目前，光纤激光器可实现800nm－2100nm波段的激光输出， 最大功率已达到万瓦量级，应用在光通信、激光加工、激光 打标、图像显示、生物工程、医疗卫生等领域。
operation
5.6 窄线宽光纤激光器 2
• 美国Polonyx公司的窄线 宽光纤激光器
• linewidth 5 kHz • Up to 200 mW
output power
• 输出稳定性（8小时）： ±0.05dB
5.7 超窄线宽光纤激光器在光纤传感中的应用
• 它的基本应用原理就是频率调制连续波技术（FMCW），在FMCW技术中， 激光输出频率围绕它的中心频率不断变化，而激光的一部分光被耦合进一个 有固定反射率的参考臂中，在外差相干探测系统中，该参考臂就充当了一个 本地振荡器的作用。充当传感作用的是另一跟很长的光纤。从传感光纤反射 回来的激光与来自本地振荡器的参考光一起混合产生一个光拍频，该频率与 它所经历的时间延迟差相对应。传感光纤上的远处信息就可以通过测量光谱 分析仪上的光电流的拍频来获取。传感光纤上的分布式反射可以是最简单的 瑞利后向散射。通过这种相干探测技术，敏感度低至-100db的信号都能很轻 易地探测到。对于任何一套相干FMCW技术系统而言，最关键的部分是要一 台相干长度很长的光源来实现很高的空间精度和大的测量范围。
5.7 超窄线宽光纤激光器在激光测距中的应用
超窄线宽光纤激光器能够广泛应用于几百公里的激光 目标指示和激光测距。一套超远距离的激光指示/测距由激 光器、准直器和接收器、信号分析仪组成。窄线宽激光器的 频率成线性快速调制，通过测量从目标处反射回来的的信号 光与参考光一起混频产生光电流便可获取远处的信息。
未来光纤激光器的发展趋势：
（1）光纤激光器本身性能的提高。如何提高输出功率和转换效 率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并 使其更加小巧紧凑将是未来光纤激光器领域研究的重点。
（2）新型光纤激光器的研制。 在时域方面，具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器
一直是激光领域研究的热点，高功率飞秒量级脉冲光纤激光 器一直是人们长期追求的目标，该领域研究的突破不仅可以 给光通信时分复用（OTDM）提供理想的光源，而且可以有 效带动激光加工、激光打标及激光加密等相关产业的发展。
5.8超短脉冲光纤激光器 1
• 美国Calmar公司飞秒光 纤激光器。FPL-0X-XX
• 波长范围：1535-1560 nm可调或范围内固定
• 重 复 频 率 ： 20M 或 1050M可调，
• 脉 宽 ： <100fs-1000fs 可 调或范围内固定，平均 输出功率：50-100mW
• 超短脉冲光源可以用做 大型激光系统的种子光 源，同时在时间定标等 领域有重要的应用
• 激光雕刻， 右图为激光 雕刻的示意 图
• 下图为激光 雕刻的图形
5.3 光纤激光器打标系统的应用 2
• 光纤激光器可以用于 材料的改性，右图为 示意图
• 下图为材料改性的例 子
5.3 光纤激光器打标系统的应用 3
• 大功率光纤激光 器可以用于激光 切割和剥离。右 图为示意图
• 下图为剥离出来 的图形
在频域方面，宽带输出可调谐的光纤激光器将成为研究热 点
The end !
2.1.1 掺杂稀土离子
是光纤激光器的核心，它决定着对光泵浦 的吸收和激射光谱，稀土元素通常以三价形式 发生离化。
稀土离子在光纤中的掺杂浓度是非常重要 的，浓度太低得不到足够的离子数实现激射， 浓度过高又会引起浓度碎灭和结晶，从而降低 激发态能级的粒子数。对于某一种光纤其掺杂 浓度通常存在一个最佳的掺杂浓度。
近年来人们在高功率光纤激光器泵浦结构方面又有 一些新的探索，日本科学家提出“任意形状激光器”方 案，该方案将掺稀土元素光纤盘成圆盘状或圆柱状等不 同形状，在光纤缝隙间填充与光纤包层同折射率的材料， 泵浦光从边缘注入，这样泵浦光的吸收面积比单根双包 层光纤内包层的面积大大增加，而且泵浦光多次通过掺 杂纤芯，也将使掺杂元素对泵浦光吸收更加充分。
2.2 光纤激光器的谐振腔
2.2.1 Fabry-Perot腔： 将增益介质放置于两块具有高反射率的镜子中
间而组成。此种结构简单、方便。
• 最常见的F-P腔是：用光纤光栅WDM耦合器 或光纤环路镜代替介质镜。
• 由于掺杂光纤本身的增益较大，光纤端面输 出藕合器往往只是采用光纤端面抛光形成的 镜面;利用玻璃与空气界面片的镜面反射作为 输出耦合镜。
激光器只有5％； • 光束质量好。
和YAG激光器比较 • 光光转换效率高，光纤激光器的转换效率为70％，YAG只有20％； • 使用寿命长； • 无需复杂的冷却系统； • 容易调节； • 光纤传输，不怕污染，光束质量好。
光纤激光器与YAG固体激光器的价格比较
5.几种典型的光纤激光器及其应用 5.1大功率光纤激光器
2.2 环型谐振腔
（1）不需使用反射镜， 可做成全光纤谐振腔。
（2）可以用来产生线 宽非常窄的激光器。
（3）波长可以由可调 F-P滤波器控制，而不 是由光纤环的长度控制。
（4）光隔离器可以抑 制反向传播的激光模式。
3.光纤激光器的泵浦结构
泵浦结构的设计是高功率光纤激光器的一项关键技 术。在初始研究阶段端面泵浦和侧向泵浦结构被广泛采 用，端面泵浦技术受包层横截面积的限制影响泵浦功率 进一步提高。而侧向泵浦技术由于采用透镜准直聚焦而 使系统稳定性下降，不利于实用化。
5.4 连续激光和脉冲激光打标的比较
左图为连续打标系统的效果，右图为脉冲激光 打标系统的效果。
5.5 窄线宽光纤激光器
• 实现窄线宽的相关技术
主要采用光纤光栅或者 光纤F-P干涉仪等滤波 器进行线宽压缩；
• 窄线宽光纤激光器的应 用：
窄线宽光纤激光器的相 关长度长，在相关光通 信系统，光纤传感系统， 光学测量系统中有很好 的应用前景。
2.1.2 双包层光纤的结构
对于圆形内包层的双包层光纤，由于大量螺旋光的存在，纤芯 的吸收效率只有10％，因此内包层形状设计也是提高泵浦吸 收效率的关键。 按照泵浦光被吸收程度高低排序是：
矩形内包层（最高），D形内包层，偏芯结构和同心 圆形内包层。
各种非圆对称结构内包层几乎达到百分之百的
高吸收效率。原因在于：破坏了泵浦光在圆形内包 层中的螺旋光的传播，改变了光线在光纤中的分布， 使得泵浦光在有限的距离内更充分的经过纤芯被掺 杂离子吸收。
• >100khrs Estimated Pump Diode MTBF
5.3 光纤激光器打标系统
• 大功率双包层光纤 激光器打标系统的 光路图
• JDS Uniphase's Continuous Wave (CW) Fiber Laser Marking (FLM) System
5.3 光纤激光器打标系统的应用 1
• 实现大功率输出的主要技术： 采用包层泵浦技术，采用特种光纤作为增益 介质，同时采用特种材料制造光纤.