光纤激光器简介PPT课件
合集下载
《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
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
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
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。
光纤激光器简介PPT课件
光纤激光器：指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益 介质的激光器，可在光纤放大器的基础上开发出来。 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（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。
光纤激光器的发展
激光器问世不 久，美国光学公司 （ American optical
输出激光
激光产生的条件：形成粒子数反转，提供光反馈，满足激光振荡的 阈值条件。
激光器一般由三部分组成：激光工作物质（掺杂光纤）、泵浦源 （半导体激光二极管）、光学谐振腔（线形腔、环形腔等）。
掺杂离子的能级结构
1. 三能级系统的能级结构
4I11/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
简单的光纤环形谐振腔结构
ISO PC
Doped fiber
WDM
pump output
环形腔光纤激光器结构图
波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接 着掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺杂光纤为非保偏的普通光纤，还需要使用偏振控制器（PC：Polarization Controller）。
pump laser PC
EDF 980/1550 nm
WDM
ISO
coupler
波长选 择器件
filter
output
环形腔掺铒光纤激光器结构图
3.其它腔型结构
光纤圈反射器（光纤环形镜），结 构如下图所示，包含一个定向耦合器和 该耦合器两输出端口连接在一起形成的 一个光纤圈。
工作原理：假设耦合器耦合系数为0.5， 若光波从端口1进入耦合器，耦合器将一 半光功率耦合到端口3，将另一半耦合到 端口4，即有一半输入光沿光纤圈顺时针 方向传播，另一半沿逆时针传播。当它 们再次在输入端相遇时经历了相同的相 移，干涉相长的结果使其完全反射回腔 内。实际中有部分光从2端口输出。
光纤激光器的发展
激光器问世不 久，美国光学公司 （ American optical
输出激光
激光产生的条件：形成粒子数反转，提供光反馈，满足激光振荡的 阈值条件。
激光器一般由三部分组成：激光工作物质（掺杂光纤）、泵浦源 （半导体激光二极管）、光学谐振腔（线形腔、环形腔等）。
掺杂离子的能级结构
1. 三能级系统的能级结构
4I11/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
简单的光纤环形谐振腔结构
ISO PC
Doped fiber
WDM
pump output
环形腔光纤激光器结构图
波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接 着掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺杂光纤为非保偏的普通光纤，还需要使用偏振控制器（PC：Polarization Controller）。
pump laser PC
EDF 980/1550 nm
WDM
ISO
coupler
波长选 择器件
filter
output
环形腔掺铒光纤激光器结构图
3.其它腔型结构
光纤圈反射器（光纤环形镜），结 构如下图所示，包含一个定向耦合器和 该耦合器两输出端口连接在一起形成的 一个光纤圈。
工作原理：假设耦合器耦合系数为0.5， 若光波从端口1进入耦合器，耦合器将一 半光功率耦合到端口3，将另一半耦合到 端口4，即有一半输入光沿光纤圈顺时针 方向传播，另一半沿逆时针传播。当它 们再次在输入端相遇时经历了相同的相 移，干涉相长的结果使其完全反射回腔 内。实际中有部分光从2端口输出。
《光纤激光器》课件 (2)
输出接口
将激光光束引导到需 要的位置，如切割头、 焊接头等。
光纤激光器的工作原理
1
2. 激发能量转换
2
输入的激发能量经由光纤进行传递并被
稀土离等材料吸收，转化为激光能量。
3
4. 激光输出
4
激光通过输出接口输出，可以被用于切 割、打标等领域。
1. 激发能量输入
在光纤激光器中，激发能量是由外部光 源、电极等设备输入的。
优点
激光光束的输出可以控制和精确调节， 光束质量高，较为稳定。
缺点
成本较高。
结合实例进行讲解
车间焊接
光纤激光器可以通过传输光纤 将激光光束送到需要加工的位 置，节省了装备的空间占用。
3D 打印
通过光纤激光器对粉末进行加 热熔融，在粉床的顶部拉出整 体车轮、工件，实现3D打印。
医疗美容
经过优化的光纤激光器可以用 于皮肤表层的脱脂、磨皮等一 系列操作。
光纤激光器
激光器是一种高度集成的光电设备，是现代工业制造中不可或缺的一部分。 其中，光纤激光器由于其高可靠性、高光束质量、小体积等特点，在各个领 域都备受青睐。
激光概述
1 定义
2 应用
3 优势
激光是指产生的光是单色、 相干、方向性高的光。
激光可以用于通信、医疗、 制造等领域，具有非常广 泛的应用前景。
3. 激光放大
激光能量被反馈回路反复放大，光线被 不断聚焦，直至达到足够强度放出。
光纤激光器的应用范围
制造业
可用于精密切割、钣金焊接、3D 打印等。
通信领域
可用于光纤通信、隔离器件、放大器等。
医疗美容
可用于皮肤美容、皮肤松弛、痘印等。
科学研究
可用于激光对物质分析、试验、测试等。
《激光器介绍》课件
激光器与人工智能、3D打印等技术结合，创造更多智能化和多样化的应用。
结论和总结
激光器是一项伟大的科技创新，它在多个领域的应用不断拓展。我们必须充 分了解其原理和注意事项，推动激光技术的发展和应用。
《激光器介绍》PPT课件
欢迎来到《激光器介绍》的PPT课件! 本课程将带您深入了解激光器的定义和 原理，以及其在不同领域的应用。让我们一起探索激光技术的无限潜力！
激光器的定义和原理
激光器是通过受激辐射产生的一种具有高度相干性、高照射强度和直行性的 光源。它的工作原理基于光子的双能态能级跃迁。
不同类型的激光器
戴眼镜
在使用激光器时，务必佩戴适当的激光安全眼镜以保护视力。
避免直射
避免将激光束直接照射到人体和易燃物上，以免引发安全事故。
操作规范
按照使用说明进行操作，确保激光器使用安全可靠。
激光器的发展趋势
1
更小更强
激光器体积将进一步缩小，但功率将持续增强，提供更多应用领域。
2
更高效更环保
激光器的效率将提高，能源消耗将减少，以促进可持续发展。
1 气体激光器
使用气体作为激发介质， 例如二氧化碳激光器和氩 离子激光器。
2 固体激光器
使用固态材料作为激发介 质，例如Nd:YAG激光器和 钛宝石激光器。
3 半导体激光器
使用半导体材料作为激发 介质，例如激光二极管和 垂直腔面发射激光器。
激光器的应用领域
医疗行业
激光器在手术、皮肤治疗和眼 科手术等领域有广泛应用。
通信领域
激光信号传输在光纤通信和激 光雷达等领域发挥重要作用。
制造业
激光切割、激光焊接和激光打 印等技术在制造业中得到广泛 应用。
激光器的优点与限制
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
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。
第六章第七节光纤激光器
output
FBG IMG
图 3.5
性能指标： 输出功率：>1mW 功率稳定性优于3％ >18dB 输出线宽：<0.01nm 波长稳定性：1.610-5 偏振性能：消光比 斜率效率：>10%
2、 多波长Er3＋光纤光栅激光器
光纤光栅提供反馈和波长选择的多波长光纤光栅激光器； 滤波机制的多波长光纤光栅激光器； 锁模机制的多波长光纤光栅激光器； 非线性效应的多波长光纤光栅激光器。
● ●
南开大学对高功率光纤激光器进行了研究。
激光器的结构：如图3-14 所示。
350m
Coupler
LDs
D-shaped double clad fiber Dichroic mirror (HT(976nm)，HR(1064nm))
400m
Output
图3.14 实验装置示意图 光纤：选用了内包层形状为D形的掺Yb3+双包层 光纤，几何尺寸为400µ m×340µ m，数值孔径 0.38。掺杂浓度0.65mol%（Yb2O3）。光纤长度 20米。
美 国 朗 讯 公 司 S.Kosinki 和 D.Inniss 在 ‘ 98 CLEO会议上报导，用一种内包层为星形的双 包层单模Yb3+光纤激光器得到20W的激光输出 加州圣何塞光谱二极管实验室工程师 V.Dominic等人在‘99年CLEO会议上报道在一 个掺Yb3+的双包层光纤激光器上，实现了连续 输出功率大于110W的单模输出。其光——光 转换效率为58.3%。实验装置如图所示：
三、双包层光纤的研究进展 俄罗斯普物所研制的内包层为方形的掺Yb双包层
光纤。
美国宝丽来公司研制的内包层为矩形的掺Yb双包 层光纤。 美国朗讯公司研制的内包层为星形的掺Yb双包层 光纤。 德国研制的内包层为D形的掺Yb和Nd双包层光纤， 中国武汉邮电科学研究院研制了掺Yb双包层光纤。 中国天津46所和南开大学合作研制成功掺Yb双包层 光纤。
光纤激光器 新PPT34页
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
光纤激光器 新
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·。 ——马 克罗维 乌斯
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
谢谢！
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
光纤激光器 新
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·。 ——马 克罗维 乌斯
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光纤激光器：指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益 介质的激光器，可在光纤放大器的基础上开发出来。 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（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。
光纤激光器的发展
激光器问世不久，美国光学公司（American optical corporation）的 Snitzer 和Koester分别于1963年和1964年首先提出光纤激光器和放大器的构 思。1966年高锟和Hockham 提出了光纤通信的基本概念。1970年后光纤通 信经历研究开发阶段（1966-1976），实用化阶段（1977-1986）。1986年以 后迅速进入大规模光纤通信建设阶段。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、美 国的Polaroid Corporation、Bell实验室，日本的NTT、Hoya均在光纤激光器 研究中取得许多重要成果。近年来，美国IPG Photonics公司异军突起，展 示S、C、L Bands 的各种光纤放大器，高功率的EDFA，Raman光纤激光器 和双波长Raman光纤激光器，并推出各种商用掺Yb高功率光纤激光器，最 大功率达1万瓦；单模输出功率高达1000W,光束质量非常好。
简单的光纤环形谐振腔结构
ISO PC
Doped fiber
WDM
pump output
环形腔光纤激光器结构图
波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接着 掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺 杂 光 纤 为 非 保 偏 的 普 通 光 纤 ， 还 需 要 使 用 偏 振 控 制 器 （ PC ： Polarization Controller）。
光纤激光器的简介
光纤：光导纤维的简称，主要由纤芯、包层和涂敷层 构成。纤芯由高度透明的介质材料制成，是光波的传输介 质；包层是一层折射率稍低于纤芯折射率的介质材料，与 纤芯构成光波导，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输； 涂敷层一般由高损耗的柔软材料制成，保护光纤不受水汽 的侵蚀和机械的擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
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
钕（Nd）、铒（Er）、镱（Yb） 、铥（Tm）、镨（Pr） 钬（Ho）等15种 S波段（1280-1350nm）、C波段（1525-1565nm）、L波段
（1565-1620nm） 脉冲激光器、连续激光器
光纤激光器的基本理论
• 光纤激光器的基本结构
腔镜
腔镜
泵浦光
掺杂光纤
1480nm 泵浦
4I15/2
基态
铒离子（Er3+）能级结构2. 四能级系统的能级结构
4G7/2
激发态吸收是指处于上能级的粒 子吸收泵浦能量向更高能级跃迁 的过程，是一种能量的无效损耗， 降低泵浦效率。
激发态吸收 1330nm
4F5/2 4F3/2
800nm 泵浦
无辐射跃迁
920nm 1060nm
光纤激光器
（Fiber Laser）
报告人：孔德欢 学号：201122607008
光纤激光器
（Fiber Laser）
光纤激光器简介
什么是光纤激光器 光纤激光器的发展及分类
光纤激光器的基本理论
光纤激光器的基本结构 掺杂离子的能级结构 谐振腔结构
光纤激光器的特点及应用
1G4 1060nm泵浦
480nm
3F2 3H4 1060nm泵浦 3H5
3F4 1060nm泵浦
3H6 铥离子（Tm3+）上转换能级图
光纤激光器的谐振腔结构
1.线形腔
M1
M1全反
M2 部 分
M2
反射
泵浦光
掺杂光纤
输出激光
A）腔镜在光纤端面耦合。要求：1）腔镜紧密地贴近光纤端面 ，从而避免 散射损耗。2）高精度地调整光纤或腔镜的相对位置，因为只要光纤端面或腔镜 稍有倾斜，损耗就会迅速增大，给调整带来困难。
将刻好的FBG熔结在腔内光纤上。光纤Bragg光栅可取代F-P腔两端的高反 射镜，构成全光纤激光器，同时消除了腔镜与光纤的耦合损耗。
下图分别为分布Bragg反射（DBR）和分布反馈（DFB）结构光纤激光 器。
EDF
FBG1
FBG2
FBG
DBR光纤激光器
DFB光纤激光器
2. 环形腔
环形腔的优点在于可以不使用反射镜构成全光纤腔，最简单的设计是 将WDM耦合器的两个端口连接起来形成一个连着掺杂光纤的环腔，如下图所 示。光纤环形结构的核心部分是光纤定向耦合器。耦合器的两个臂（1,2点） 连接在一起，构成了光在其中传输的循环行程。耦合器起到了“介质镜” 的反馈作用，并形成了一环形谐振腔。
B）将腔镜直接镀在抛光后的光纤端面上。缺陷：面反射镜要求光纤端面抛 光性能好，没有细微缺陷；高功率密度的泵浦光透过端面腔镜，会对腔镜的绝缘 镀层损坏，降低激光器的性能。
为了避免泵浦光对腔镜的损坏： 1）用波分复用耦合器直接将泵浦光耦合进入腔内； 2）用光纤Bragg光栅(FBG)代替腔镜，将FBG直接刻在腔内的光纤上或
输出激光
激光产生的条件：形成粒子数反转，提供光反馈，满足激光振荡的 阈值条件。
激光器一般由三部分组成：激光工作物质（掺杂光纤）、泵浦源 （半导体激光二极管）、光学谐振腔（线形腔、环形腔等）。
掺杂离子的能级结构
1. 三能级系统的能级结构
4I11/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
444III111513///222 4I9/2
高能态 亚稳态 1350nm
下能级
钕离子（Nd3+）能级结构
3.上转换能级的结构
可见光波段激光的产生源于上转换过程。频率上转换是指来自 同一（或不同）泵浦激光器的多个光子被掺杂离子同时吸收，该离子跃 迁到能极差大于单个泵浦光子能量的能级上，使得激光器的工作频率高 于泵浦光频率的过程。
光纤激光器的发展
激光器问世不久，美国光学公司（American optical corporation）的 Snitzer 和Koester分别于1963年和1964年首先提出光纤激光器和放大器的构 思。1966年高锟和Hockham 提出了光纤通信的基本概念。1970年后光纤通 信经历研究开发阶段（1966-1976），实用化阶段（1977-1986）。1986年以 后迅速进入大规模光纤通信建设阶段。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、美 国的Polaroid Corporation、Bell实验室，日本的NTT、Hoya均在光纤激光器 研究中取得许多重要成果。近年来，美国IPG Photonics公司异军突起，展 示S、C、L Bands 的各种光纤放大器，高功率的EDFA，Raman光纤激光器 和双波长Raman光纤激光器，并推出各种商用掺Yb高功率光纤激光器，最 大功率达1万瓦；单模输出功率高达1000W,光束质量非常好。
简单的光纤环形谐振腔结构
ISO PC
Doped fiber
WDM
pump output
环形腔光纤激光器结构图
波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接着 掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺 杂 光 纤 为 非 保 偏 的 普 通 光 纤 ， 还 需 要 使 用 偏 振 控 制 器 （ PC ： Polarization Controller）。
光纤激光器的简介
光纤：光导纤维的简称，主要由纤芯、包层和涂敷层 构成。纤芯由高度透明的介质材料制成，是光波的传输介 质；包层是一层折射率稍低于纤芯折射率的介质材料，与 纤芯构成光波导，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输； 涂敷层一般由高损耗的柔软材料制成，保护光纤不受水汽 的侵蚀和机械的擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
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
钕（Nd）、铒（Er）、镱（Yb） 、铥（Tm）、镨（Pr） 钬（Ho）等15种 S波段（1280-1350nm）、C波段（1525-1565nm）、L波段
（1565-1620nm） 脉冲激光器、连续激光器
光纤激光器的基本理论
• 光纤激光器的基本结构
腔镜
腔镜
泵浦光
掺杂光纤
1480nm 泵浦
4I15/2
基态
铒离子（Er3+）能级结构2. 四能级系统的能级结构
4G7/2
激发态吸收是指处于上能级的粒 子吸收泵浦能量向更高能级跃迁 的过程，是一种能量的无效损耗， 降低泵浦效率。
激发态吸收 1330nm
4F5/2 4F3/2
800nm 泵浦
无辐射跃迁
920nm 1060nm
光纤激光器
（Fiber Laser）
报告人：孔德欢 学号：201122607008
光纤激光器
（Fiber Laser）
光纤激光器简介
什么是光纤激光器 光纤激光器的发展及分类
光纤激光器的基本理论
光纤激光器的基本结构 掺杂离子的能级结构 谐振腔结构
光纤激光器的特点及应用
1G4 1060nm泵浦
480nm
3F2 3H4 1060nm泵浦 3H5
3F4 1060nm泵浦
3H6 铥离子（Tm3+）上转换能级图
光纤激光器的谐振腔结构
1.线形腔
M1
M1全反
M2 部 分
M2
反射
泵浦光
掺杂光纤
输出激光
A）腔镜在光纤端面耦合。要求：1）腔镜紧密地贴近光纤端面 ，从而避免 散射损耗。2）高精度地调整光纤或腔镜的相对位置，因为只要光纤端面或腔镜 稍有倾斜，损耗就会迅速增大，给调整带来困难。
将刻好的FBG熔结在腔内光纤上。光纤Bragg光栅可取代F-P腔两端的高反 射镜，构成全光纤激光器，同时消除了腔镜与光纤的耦合损耗。
下图分别为分布Bragg反射（DBR）和分布反馈（DFB）结构光纤激光 器。
EDF
FBG1
FBG2
FBG
DBR光纤激光器
DFB光纤激光器
2. 环形腔
环形腔的优点在于可以不使用反射镜构成全光纤腔，最简单的设计是 将WDM耦合器的两个端口连接起来形成一个连着掺杂光纤的环腔，如下图所 示。光纤环形结构的核心部分是光纤定向耦合器。耦合器的两个臂（1,2点） 连接在一起，构成了光在其中传输的循环行程。耦合器起到了“介质镜” 的反馈作用，并形成了一环形谐振腔。
B）将腔镜直接镀在抛光后的光纤端面上。缺陷：面反射镜要求光纤端面抛 光性能好，没有细微缺陷；高功率密度的泵浦光透过端面腔镜，会对腔镜的绝缘 镀层损坏，降低激光器的性能。
为了避免泵浦光对腔镜的损坏： 1）用波分复用耦合器直接将泵浦光耦合进入腔内； 2）用光纤Bragg光栅(FBG)代替腔镜，将FBG直接刻在腔内的光纤上或
输出激光
激光产生的条件：形成粒子数反转，提供光反馈，满足激光振荡的 阈值条件。
激光器一般由三部分组成：激光工作物质（掺杂光纤）、泵浦源 （半导体激光二极管）、光学谐振腔（线形腔、环形腔等）。
掺杂离子的能级结构
1. 三能级系统的能级结构
4I11/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
444III111513///222 4I9/2
高能态 亚稳态 1350nm
下能级
钕离子（Nd3+）能级结构
3.上转换能级的结构
可见光波段激光的产生源于上转换过程。频率上转换是指来自 同一（或不同）泵浦激光器的多个光子被掺杂离子同时吸收，该离子跃 迁到能极差大于单个泵浦光子能量的能级上，使得激光器的工作频率高 于泵浦光频率的过程。