蓝光光纤激光器的原理及发展讲解
光纤激光器的工作原理及其发展前景
光纤激光器的工作原理及其发展前景光纤激光器的工作原理及其发展前景1 .引言光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。
光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。
光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。
光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。
近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。
已达到10—100 kW。
作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。
光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。
其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。
2.光纤激光器的原理2.1光纤激光器的分类光纤材料的种类，光纤激光器可分为：（1）晶体光纤激光器。
工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG 单晶光纤激光器等。
（2)非线性光学型光纤激光器。
主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。
(3)稀土类掺杂光纤激光器。
光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。
(4)塑料光纤激光器。
向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。
2.2光纤激光器的工作原理光纤激光器的结构和传统的固体、气体激光器一样。
光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。
泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，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辐射所产生的自发辐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。
《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
第08章 光纤激光器
第8章 光纤激光器
（5） 用作增益的稀土掺杂光纤制作工艺比较成熟，
稀土离子掺杂过程简单，光纤损耗小。
（6） 光纤光栅激光器具有波导式光纤结构，可以在 光纤芯层产生较高的功率密度，光纤结构具有较高的面 积 - 体积比，因而散热效果较好。 （7） 光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件是 完全相容的，故可以制作出完全由光纤器件组成的全光 纤传输系统。
进行了开创性的工作，他们在1963年和1964年分别发表了 多组分玻璃光纤中的光放大结果，提出了光纤激光器和光
纤放大器的构思。在1966年，高锟和Hockham首先讨论了
利用光纤作为通信介质的可能性，讨论了光纤通信的新观 点。在光纤激光器发展的最初阶段就考虑了用半导体光源 进行泵浦的可能性。1970年后，光纤通信经历了研究开发 阶段（1966～1976年）。
生的光子与诱发过程的光子性质完全相同。当光子在谐振腔
内所获得的增益大于其在腔内所获得的损耗时，就会产生激
光输出。理论上四能级光纤激光器的阈值低于三能级系统。
第8章 光纤激光器
图8-2-1 三能级和四能级跃迁系统能级图 (a) 三能级； (b) 四能级
第8章 光纤激光器
纵向泵浦的光纤激光器的结构如图8-2-2所示。一段掺 杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜 之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤。左面腔镜对于泵浦 光全部透射，对于激射光全反射，以便有效利用泵浦光和防
第8章 光纤激光器
非辐射跃迁将产生声子，即周围介质的量子化振动。从 上能级到下能级的辐射跃迁包括两种形式： 自发辐射和受 激辐射。在这两种形式下都有光子被发射。自发辐射过程和 无线电衰变的过程相似，即在上能级的电子数随时间成指数 减少。当原子中的电子处于激发态时总会有自发辐射产生，
蓝光光纤激光器的原理及发展讲解
蓝光光纤激光器的原理及发展一、前言蓝光波段激光在高密度数据存储、海底通信、大屏幕显示(需要蓝绿光构造全色显示、检测、生命科学、激光医疗等领域有着广泛的应用价值。
目前商业化的固体激光器激光波长主要在近红外和红外波段。
在固体激光器中欲获得蓝色激光输出,主要有以下三种方法:(1利用宽禁带半导体材料直接制作蓝光波段的半导体激光器;(2利用非线性频率变换技术对固体激光进行倍频;(3利用上转换技术在掺稀土的晶体、玻璃或光纤中实现蓝激光输出。
对于可见波段的半导体激光二极管(LD,蓝光LD的研制需要昂贵的设备和衬底材料,同时LD的光束质量不尽人意,在许多应用领域受到了限制。
由LD泵浦的倍频固体激光器,需要非线性晶体材料进行频率转换,虽然光束质量很好,输出功率也很高,但系统较复杂。
近年来,人们利用发光学中的频率上转换机制,大力发展具有蓝绿光输出上转换发光材料,所采用的泵浦源一般为近红外高功率半导体激光器。
另外,与稀土掺杂的玻璃和晶体相比,光纤具有输出波长多、可调谐范围宽等优点。
利用上转换光纤制作的光纤激光器还具有结构简单、效率高、成本低的优点。
近两年来,国外对蓝光上转换光纤激光器研究很活跃,并且其商业化进程也相当迅速。
二、工作原理蓝光光纤激光器是利用稀土离子上转换的发光机理,即采用波长较长的激发光照射掺杂的稀土离子的样品时,发射出波长小于激发光波长的光。
稀土离子的上转换发光机制一般可以分为激发态吸收、能量转移和光子雪崩三种过程。
蓝光上转换光纤的输出波长一般在450~490nm之间,目前能获得蓝光输出稀土离子主要有Tm3+,Pr3+两种,但大多数情况下,为了提高泵浦吸收效率和上转换发光效率,往往采用将Tm3+或者Pr3+离子与Yb3+离子共掺的方式,通过Yb3+离子的敏化作用,利用多声子吸收的原理获得高效的上转换发光效应, Tm3+/Yb3+共掺和Pr3+/Yb3+共掺这两种方式的上转换光纤激光目前报道的最多。
三、发展历程频率上转换发光现象最早是在石英介质中发现的,但由于其上转换发光效率低下,且在低温下工作而未引起研究人员的注意。
蓝光激光器的应用与发展
蓝光激光器的应用与发展黄必昌一、前言全固态蓝光激光器因其在激光生物医学、激光彩色显示、激光高密度数据存储、激光光谱学、激光打印、激光水下成像与通讯等领域的广泛应用，近年来备受人们重视。
用LD泵浦YAG晶体通过腔内倍频可以实现大功率蓝光激光输出，从而实现红（671nm）、绿（532 nm）、蓝（473 nm）三元色激光的连续输出。
目前有关蓝光激光器的研究成为国内外研究小组竞相开展的研究热点，在很短的时间里世界各地都掀起了固态草蓝色激光光源的研究热潮。
全固态蓝光激光作为一种新的相干光源，具有体积小、结构紧凑、寿命长、效率高、运转可靠等一系列优点，能够应用在许多其他激光器无法应用的场合。
全固态蓝光激光器主要应用在蓝光激发、高密度光存储、彩色激光显示、拉曼光谱、荧光光谱分析、生物工程、DNA排序、海洋水色和海洋资源探测等很多方面。
在固体激光器中欲获得蓝色激光输出，主要有以下三种方法：（1）利用宽禁带半导体材料直接制作蓝光波段的半导体激光器；（2）利用非线性频率变换技术对固体激光进行倍频；（3）利用上转换技术在掺稀土的晶体、玻璃或光纤中实现蓝激光输出。
对于可见波段的半导体激光二极管(LD)，蓝光LD的研制需要昂贵的设备和衬底材料，同时LD的光束质量不尽人意，在许多应用领域受到了限制。
由LD泵浦的倍频固体激光器，需要非线性晶体材料进行频率转换，虽然光束质量很好，输出功率也很高，但系统较复杂。
近年来，人们利用发光学中的频率上转换机制，大力发展具有蓝绿光输出上转换发光材料，所采用的泵浦源一般为近红外高功率半导体激光器。
另外，与稀土掺杂的玻璃和晶体相比，光纤具有输出波长多、可调谐范围宽等优点。
利用上转换光纤制作的光纤激光器还具有结构简单、效率高、成本低的优点。
近两年来，国外对蓝光上转换光纤激光器研究很活跃，并且其商业化进程也相当迅速。
下面结合激光显示和蓝光光盘等主要应用，首先简单说明其工作原理然后介绍全固态蓝光激光器的多种技术和最新发展。
光纤激光器的工作原理及其发展前景（3）
光纤激光器的工作原理及其发展前景（3）光纤激光器的工作原理及其发展前景以形成相干性很好的激光。
激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转．因此要求参与过程的能级应超过2个，同时还要有泵浦源提供能量。
光纤激光器实际上也可以称为波长转换器．通过它可以将泵浦波长光转换为所需的激射波长光。
例如，掺铒光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。
激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。
激光输出是连续的还是脉冲输出形式主要依赖于激光工作介质．如果是连续形式输出，激光上能级的自发发射寿命必须高于激光下能级以获得较高的粒子数反转。
如果是脉冲形式输出．激光下能级的寿命就会超过上能级，此时就会以脉冲的形式输出光纤激光器有2种激射状态：三能级和四能级激射。
3 光纤激光器的分类(1)按增益介质分类:稀土离子掺杂光纤激光器(Nd3+、Er3+．yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶)。
非线性效应光纤激光器(利用光纤中的SRS、SBS非线性效应产生波长可调谐的激光)。
在光纤中掺人不同的稀土离子，并采用适当的泵浦技术，即可获得不同波段的激光输出。
(2)按谐振腔结构分类:F—P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及”8”字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器(3)按光纤结构分类: 单和双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。
(4)按输出激光类型分类: 连续光纤激光器．超短脉冲光纤激光器、大功率光纤激光器。
(5)按输出波长分类:S一波段(1460～1530 nm)、C一波段(1530～1565 nm)、L一波段(1565～ 1610 nm)。
4 光纤激光器的特点在激光振荡中．将能量集中于谐振腔所选的驻波以产生相干光。
在光技术中，只有光纤和波导能对光轴方向和横模方向进行三维模控制。
在以单模光纤作增益介质的光纤激光器中无竞争横模，因此可进行稳定的激光振荡。
光纤激光器 PPT课件
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。
激光器简史及光纤激光器简介
03
光纤激光器发展历程
第一代光纤激光器
01
02
03
起源与早期发展
20世纪60年代，光纤通信 技术的兴起为光纤激光器 的发展奠定了基础。
结构与原理
第一代光纤激光器采用掺 铒光纤作为增益介质，通 过泵浦光激发产生激光。
优缺点分析
具有高转换效率、低阈值 等优点，但输出功率和光 束质量相对较低。
第二代光纤激光器
光纤中受激辐射过程
受激辐射概念
受激辐射是光与物质相互作用的一种基本过程，指处于高能级的粒子在受到外来光子的作用下，跃迁到低能级并 辐射出与外来光子完全相同的光子的过程。
光纤中的受激辐射
在光纤中，当泵浦光注入到光纤时，光纤中的稀土离子（如铒、镱等）会吸收泵浦光的能量并跃迁到高能级。当 这些离子回到低能级时，会以受激辐射的方式释放出与泵浦光相同波长的光子。这些光子在光纤中不断反射并向 前传输，最终形成连续的激光输出。
长寿命
光纤激光器采用无机械接触的全光纤 结构，避免了传统固体激光器中常见 的机械磨损和热效应问题。因此，光 纤激光器的寿命通常非常长，可达数 万小时以上。
低维护成本
光纤激光器的结构简单、紧凑，无需 复杂的光学调整和维护。此外，由于 光纤激光器的效率高、散热性能好， 因此也降低了对冷却系统的要求，进 一步降低了维护成本。
通信技术领域应用
光纤通信
光纤激光器是光纤通信系统的核心器件之一，可用于产生光信号和 光放大等，具有传输容量大、传输距离远、抗干扰能力强等优点。
空间光通信
光纤激光器可用于空间光通信系统，具有光束质量好、传输距离远 、保密性强等优点。
激光雷达
光纤激光器可用于激光雷达系统，具有测距精度高、抗干扰能力强、 体积小等优点。
蓝光激光器最新发展和应用讲解
蓝光激光器最新发展和应用作者：中国科学院上海光学精密机械研究所叶震寰楼祺洪摘要：结合激光显示和蓝光光盘等主要应用，介绍全固态蓝光激光器的多种技术和最新发展。
重点讲述了蓝光半导体激光以及半导体激光直接倍频蓝光激光器技术的进展。
最后对蓝光激光器的一些主要应用进行了总结。
关键字：蓝光激光、激光显示、蓝光光盘、蓝光LD1、激光显示与蓝色激光激光显示采用红、绿、蓝三基色全固态激光器作为光源，由于激光的高色纯度，按三基色合成原理在色度作者：中国科学院上海光学精密机械研究所叶震寰楼祺洪摘要：结合激光显示和蓝光光盘等主要应用，介绍全固态蓝光激光器的多种技术和最新发展。
重点讲述了蓝光半导体激光以及半导体激光直接倍频蓝光激光器技术的进展。
最后对蓝光激光器的一些主要应用进行了总结。
关键字：蓝光激光、激光显示、蓝光光盘、蓝光LD1、激光显示与蓝色激光激光显示采用红、绿、蓝三基色全固态激光器作为光源，由于激光的高色纯度，按三基色合成原理在色度图上形成的色度三角形面积最大，因而激光显示的图像有着比现有彩色电视更大的色域、更高的对比度和亮度，颜色更鲜艳，能反映自然界的真实色彩，在家庭影院和大屏幕显示领域具有巨大的应用前景[1]。
2002年韩国三星公司就已经推出了80英寸VGA分辨率的高亮度激光电视的样机，可以获得很好的显示效果。
作为激光全色显示的关键技术，红、绿、蓝三基色全固态激光器也已成为当前国际上研究的热点。
其中，三基色光源中的蓝色激光是目前激光显示研究中的瓶颈。
实现全固态蓝色激光光源的途径主要有三种：(1)直接发射蓝光的激光二极管；(2)LD倍频的蓝色光源；(3)LD泵浦通过非线性光学手段获得的蓝色激光器。
直接发射蓝光的半导体激光器，具有结构简单、使用方便、电-光转换效率高等优点。
能够直接发射蓝色激光的LD一直受到人们的关注。
但由于半导体材料本身的缺陷难于克服，使得蓝色激光二极管的发展相对缓慢，与实用化之间还有一段距离。
认识光纤激光器
谐振腔
谐振腔是光纤激光器中的另一个重要组成部分，它由两个 反射镜或一个反射镜和一个散射腔镜组成，用于形成光的 振荡路径。在谐振腔的作用下，光子在增益介质中不断反 射和放大，最终形成稳定的激光输出。
谐振腔的设计对于光纤激光器的性能至关重要，它决定了 激光的波长、模式和功率等参数。为了获得高质量的激光 输出，需要精确控制谐振腔的长度和反射镜的反射率。
聚焦性能好
光纤激光器的光束质量较好，能够实 现较小的聚焦直径和较高的焦斑能量 密度，有利于提高加工精度和加工效 率。
结构紧凑
体积小
光纤激光器的结构紧凑，体积较小， 能够节省空间，方便集成到各种加工 设备中。
重量轻
光纤激光器的重量较轻，能够降低设 备的整体重量，方便设备的移动和维 护。
易于维护
模块化设计
总结词
随着工业加工和国防科技的发展，高功率光纤激光器在军事、工业、医疗等领域的应用越来越广泛。
详细描述
高功率光纤激光器能够输出更高的激光能量，具有更高的光束质量和更长的使用寿命，是未来激光技术的重要发 展方向之一。
超快光纤激光器
总结词
超快光纤激光器以其独特的脉冲宽度和高峰 值功率，在科学研究、工业生产和医疗领域 具有广泛的应用前景。
输出光
输出光是光纤激光器产生的激光，其波长、功率和模式等参数取决于谐振腔的设计和增益介质的性质 。光纤激光器的输出光通常具有高亮度、高纯度、低发散角等特点，使其在各种领域具有广泛的应用 前景。
为了获得稳定的激光输出，需要对光纤激光器进行精细的调节和控制。这包括对泵浦光和增益介质的 控制、对谐振腔的调整以及对输出光的监测和反馈控制等。
03
光纤激光器的特点与优势
高效稳定
高效
光纤激光器原理
光纤激光器原理
光纤激光器是一种利用光纤作为放大介质的激光器。
光纤激光器的原理是通过激活光纤内部的掺杂物，使其能够在光纤内部产生和放大光信号。
首先，光纤激光器需要一个光源来激活掺杂物。
常见的光源有激光二极管、激光器或其他高能光源。
当光源激活时，会发出光束。
光束经过进入光纤内部后，会被光纤的掺杂物吸收。
掺杂物通常是具有特殊的发射特性的材料，如稀土离子（如铒离子）等。
掺杂物吸收光束后，其电子受激跃迁至高能级，形成电子激发态。
接下来，光纤中的光子与掺杂物中的电子进行相互作用。
这个过程称为受激辐射。
光子与电子发生相互作用后，会导致电子跃迁至较低能级，并释放出新的光子。
这些新的光子与已存在的光子产生相干的干涉效应，并逐渐放大。
在光纤内部，还会安装一个光反射镜，用于反射光信号，使其在光纤内部不断传播，从而得到更多的发射光子。
与此同时，光纤的两端也会安装光束分束器和输出窗口，用于将放大后的光束输出。
光纤激光器的输出光束通常具有高度聚焦的特点，能够实现严格的光束控制。
此外，光纤激光器还具有高功率输出、稳定性好、易于集成和光纤传输等优点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
光纤激光器原理与特性详解
光纤激光器原理与特性详解一、简介光纤激光器，英文名称为Fiber Laser，是一种以掺稀土元素的玻璃光纤为增益介质来产生激光输出的装置。
光纤激光器可在光纤放大器的基础上进行开发，由于光纤激光器中光纤纤芯很细，因此在泵浦光作用下，光纤内部功率密度高，使得激光能级出现“粒子数反转”现象，在此基础上，再通过正反馈回路构成谐振腔，便可在输出处形成激光振荡。
二、结构光纤激光器的结构类似于传统的固体激光器、气体激光器，主要由泵浦源、增益介质、谐振腔三大部分构成，如下图所示。
其中，泵浦源一般为高功率的半导体激光器，增益介质为掺稀土元素的玻璃光纤，谐振腔由耦合器或光纤光栅等构成。
三、原理在上图中，由泵浦源发出的泵浦光通过一面反射镜耦合进入增益介质中，由于增益介质为掺稀土元素光纤，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经过谐振腔，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。
四、特点特点一：由于光纤纤芯直径小，在纤芯内容易形成高功率密度，因此光纤激光器具有较高的转换效率、较低的阙值、较高的增益、较窄的线宽、且可方便高效的实现与当前光纤通信系统的连接。
特点二：由于光纤具有很好的柔绕性，因此光纤激光器具有小巧灵活、结构紧凑、性价比较高、且更易于系统的集成的特点。
特点三：与传统的固体激光器、气体激光器相比，光纤激光器的能量转换效率较高、结构较紧凑、可靠性高、且适合大批量的生产。
特点四：与半导体激光器相比，光纤激光器的单色性较好、调制时可产生较小的啁啾和畸变、且与光纤的耦合损耗较小。
和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和光纤的耦合。
我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。
光纤激光器原理
光纤激光器原理光纤激光器是一种利用光纤作为增益介质的激光器。
它具有体积小、能耗低、输出光束质量好等优点，在通信、医疗、材料加工等领域有着广泛的应用。
要了解光纤激光器的原理，首先需要了解光纤激光器的基本结构和工作原理。
光纤激光器的基本结构包括泵浦光源、光纤增益介质和共振腔。
泵浦光源通常采用半导体激光器或光纤耦合的激光二极管，用来提供能量激发光纤增益介质。
光纤增益介质是光纤激光器的核心部件，它通常由掺铒或掺钬的光纤材料构成，能够实现光放大和激光发射。
共振腔由两个光学镜组成，其中一个镜具有较高的反射率，另一个镜具有较低的透射率，共同构成光学谐振腔，实现光的来回反射和放大。
光纤激光器的工作原理主要包括泵浦光源激发、光纤增益、共振腔放大和输出光束四个步骤。
首先，泵浦光源产生的泵浦光通过耦合光纤输送到光纤增益介质中，激发光纤增益介质中的掺杂离子，使其处于激发态。
随后，光纤增益介质中的激发态掺杂离子经过受激辐射过程，发射出与泵浦光频率相同的光子，实现光的放大。
放大后的光子在共振腔中来回反射，不断受到激发和放大，最终产生高质量的激光输出。
光纤激光器的原理是建立在激光放大的基础上的。
激光的放大是通过受激辐射过程实现的，即受到外部光子的激发后，原子或分子从低能级跃迁到高能级，然后再自发跃迁到较低能级，发射出与外部光子相同频率和相干相位的光子。
这种过程在光纤增益介质中不断发生，从而实现光的放大和激光输出。
总的来说，光纤激光器利用光纤增益介质实现光的放大和激光输出，其工作原理是基于受激辐射过程和光学谐振腔的。
通过合理设计泵浦光源、光纤增益介质和共振腔的结构，可以实现高效、稳定的激光输出。
光纤激光器在通信、医疗、材料加工等领域具有重要的应用价值，对于推动科技进步和社会发展具有重要意义。
光纤激光器的工作原理
光纤激光器的基本原理1. 引言光纤激光器是一种基于光纤技术的激光装置，利用光纤的特殊结构和激光器的工作原理，产生高功率、窄线宽、可调谐的激光束。
借助其独特的特点，光纤激光器在通信、医学、材料加工等领域有着广泛的应用。
在本文中，我将深入探讨光纤激光器的工作原理，并对其相关的基本原理进行详细解释。
2. 光纤的基本原理光纤是一种具有高折射率的细长玻璃或塑料材料，具有高度透明和反射光的特性。
光纤中有一个称为芯的中心部分，其折射率高于外部的称为包层的材料。
这种差异使得光线能够通过反射的方式沿着光纤传输。
光纤的传输方式是通过光的全内反射实现的。
当光线以大于临界角的角度射入光纤时，它会在芯和包层的交界面上完全内反射，并沿着光纤传输。
光线的全内反射保证了光信号在光纤中的传输损耗很小。
3. 激光的基本原理激光是一种具有高度聚焦和高单色性的电磁辐射波。
它是通过将粒子（如电子或原子）从低能级促使到高能级，并在它们回到低能级时释放能量来产生的。
激光器的基本结构主要由激活介质、能量泵浦装置和光学谐振腔组成。
•激活介质：激活介质是激光器中产生激光的材料。
它可以是固体、液体或气体。
其中，气体激光器常用的激活介质为二氧化碳，固体激光器常用的激活介质为钕、铷等。
•能量泵浦装置：能量泵浦装置用于提供能够将激活介质中的粒子激活到高能级的能量。
通常使用的能量泵浦装置包括光泵浦、电子泵浦和化学泵浦等。
•光学谐振腔：光学谐振腔是激光器中的一个空间，在其中光线来回反射，从而增加光线的相干性和增益。
光学谐振腔由两个光学镜片构成，其中一个镜片是部分穿透和部分反射的，另一个镜片是完全反射的。
在激光器中，激活介质被能量泵浦装置激活，并产生大量的激发态粒子。
这些激发态粒子在光学谐振腔的作用下，通过受激辐射的过程，将能量转移给通过谐振腔的光子，使之增加能量，最终形成了高亮度的激光束。
4. 光纤激光器的工作原理光纤激光器的工作原理是将光纤和激光器的原理相结合。
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蓝光光纤激光器的原理及发展
一、前言
蓝光波段激光在高密度数据存储、海底通信、大屏幕显示(需要蓝绿光构造全色显示、检测、生命科学、激光医疗等领域有着广泛的应用价值。
目前商业化的固体激光器激光波长主要在近红外和红外波段。
在固体激光器中欲获得蓝色激光输出,主要有以下三种方法:
(1利用宽禁带半导体材料直接制作蓝光波段的半导体激光器;
(2利用非线性频率变换技术对固体激光进行倍频;
(3利用上转换技术在掺稀土的晶体、玻璃或光纤中实现蓝激光输出。
对于可
见波段的半导体激光二极管(LD,蓝光LD的研制需要昂贵的设备和衬底材料,同时LD的光束质量不尽人意,在许多应用领域受到了限制。
由LD泵浦的倍频固体激光器,需要非线性晶体材料进行频率转换,虽然光束质量很好,输出功率也很高,但系统较复杂。
近年来,人们利用发光学中的频率上转换机制,大力发展具有蓝绿光输出上转换发光材料,所采用的泵浦源一般为近红外高功率半导体激光器。
另外,与稀土掺杂的玻璃和晶体相比,光纤具有输出波长多、可调谐范围宽等优点。
利用上转换光纤制作的光纤激光器还具有结构简单、效率高、成本低的优点。
近两年来,国外对蓝光上转换光纤激光器研究很活跃,并且其商业化进程也相当迅速。
二、工作原理
蓝光光纤激光器是利用稀土离子上转换的发光机理,即采用波长较长的激发光照射掺杂的稀土离子的样品时,发射出波长小于激发光波长的光。
稀土离子的上转换发光机制一般可以分为激发态吸收、能量转移和光子雪崩三种过程。
蓝光上转换光纤的输出波长一般在450~490nm之间,目前能获得蓝光输出稀土离子主要有
Tm3+,Pr3+两种,但大多数情况下,为了提高泵浦吸收效率和上转换发光效率,往往采
用将Tm3+或者Pr3+离子与Yb3+离子共掺的方式,通过Yb3+离子的敏化作用,利用多声子吸收的原理获得高效的上转换发光效应, Tm3+/Yb3+共掺和Pr3+/Yb3+共掺这两种方式的上转换光纤激光目前报道的最多。
三、发展历程
频率上转换发光现象最早是在石英介质中发现的,但由于其上转换发光效率低下,且在低温下工作而未引起研究人员的注意。
首次获得上转换激光输出是在1971年,当时是由Johnson和Guggenheim[2]在低温下采用氙灯泵浦Ho3+/Yb3+共掺和
Er3+/Yb3+的共掺的BaY2F8晶体分别获得了551nm和670nm上转换激光输出。
八十年代末九十年代初期,当时因为发展长波段通讯曾努力开发氟化
物玻璃光纤,虽然长波通讯并未成功,稀土掺杂的ZBLAN光纤作上转换增益介质,却得到很多有意义的上转换激光结果。
ZBLAN光纤中掺杂的稀土离子主要有Pr3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等,其中掺Pr3+或者Pr3+/Yb3+共掺ZBLAN光纤的上转换激光输出在当时报道最多,这是因为Pr3+离子在上转换泵浦机理下可以产生蓝、绿、橙黄、红的多种波段的可见光。
1989年Allain等[3]报道了在77K低温下采用647nm和676nm泵浦Tm3+:ZBLAN 光纤中获得455和480nm上转换激光输出,这是首次利用上转换原理在氟化物光纤中获得了可见波段的激光输出。
从此以后室温下的上转换光纤激光输出报道相继增多,并且光纤的基质材料研究多集中在氟化物玻璃的ZBLAN系统上。
氟化物玻璃体系之所以成为人们青睐的上转换发光基质材料,是因为具有较低的声子能量,低的声子能量能降低玻璃在泵浦过程中无辐射驰豫的几率,提高稀土离子中间亚稳态能级的荧光寿命,从而有效提高上转换发光的效率。
但氟化物玻璃较差的化学稳定性和较低的机械强度为其实际应用带来了一定困难。
第一次蓝光上转换光纤激光输出报道是在1991年,R.G.Smart等人[4]用两台钛宝石激光器同时泵浦Pr3+:ZALAN光纤,在491nm得到了1mW的激光器输出。
研究者发现在单掺杂Pr3+离子的情况下,蓝光输出功率往往不高。
为了提高上转换发
光效率,90年代中期以后,研究者在掺稀土离子(主要是以Pr3+和Tm3+为主的同时共掺Yb3+作为敏化剂,这样有效地提高了对泵浦光的吸收效率,而且Yb3+离子较宽的吸收带有利于对泵浦源有较大的选择余地。
表1给出了90年代期间蓝光光纤激光器的激光输出情况[4-11]。
其中,1997年德国Hamburg大学Zellmer等人在
Pr3+/Yb3+:ZBLAN光纤中获得了375mW的480nm 激光输出,这是迄今报道的最高功率的蓝光光纤激光输出。
九十年代末,包层泵浦技术的发展为上转换光纤激光器的研究提供了新的契机。
通过包层泵浦技术可以将泵浦光入纤的耦合效率,从一般的30~50%提高到80%以上,耦合效率的提高增大了上转换蓝绿光的输出功率。
目前包层泵浦上转换光纤激光器的研究工作已成为国际上的最新研究热点,它在常规光纤激光器研究工作的基础上,利用频率上转换技术大大扩展了激光器的频率范围,可获得近红外光、可见光乃至更短波长的激光输出。
尤其是频率上转换技术目前正应用到极缺蓝和绿激光波段。
2002年Zellmer等人[13]用850nm的LD泵浦包层Pr3+/Yb3+:ZBLAN光纤,获得了2.06W的635nm红光输出,斜率效率为45%,光束质量M2<10,另外,在520nm 绿光波段也获得了340mW激光输出。
近两年来国外许多科研院所纷纷加大了对应用于蓝光波段的上转换光纤的研究力度。
上转换光纤激光器研究领域目前处于领先地位的是德国,其中德国以Laser Zentrum Hannover研究所为主要代表单位。
除此之外,国外一些商业机构也对蓝绿上转换玻璃光纤激光器投入了极大的热情,如法国的Alcatel公司、英国的电信公司、美国SDL公司、和美国加州JDS Uniphase公司等。
国内部分高等院校和科研机构(如上海光机所、长春光机所、南开大学、北京师范大学等曾对块状玻璃中上转换发光机理作了不少研究,但未见对上转换双包层玻璃光纤的报道。
国内目前还没有上转换光纤激光器产品问世。