激光技术小论文

激光器件之光纤激光器
1813239刘学亮光电子技术与科学专业
指导老师：郭明
光纤激光器综述摘要：
光纤激光器作为光源在光通信领域已得到广泛应用，而随着大功率双保层光纤激光器的出现，其应用正向着激光加工、激光测距、激光雷达、激光艺术成像、激光防伪和生物医疗等更广阔的领域迅速扩展。

本文以下内容概述了光纤激光器的原理、特点、应用及其发展前景。

关键词：光纤激光器、激光雷达、激光测距、光纤激光器原理、优点。

Keywords: fiber lasers and laser radar, laser range finder, optical fiber laser principle, advantage.
一．光纤激光器的简述
光纤激光器和放大器的研究与应用引起了广泛的重视和兴趣，已能制备以硅和氟化铅为基质的掺杂稀土金属元素的光纤。

用这些光纤制作成光源或光放大器在降低光通信系统的成本方面具有巨大的潜力。

接铰和饵离子的光纤激光器已有多种波长的输出，包括900nm，1060nm和1550nm等。

用输出波长为800nm的I‘D作为泵浦源也可以获得光通信重要窗口波长(1550nm)的输出。

激光输出诺可以通过改变稀土离子所处的玻璃基质进行改变。

由掺杂稀土元素离子的氟化错光纤可以在红外区产生波长为1050nm，1350nm，l 380nm和l 550nm的激光输出，其中1350nm波长非常有价值，因为利用以硅为基质的光纤要想得到这个波长的输出非常困难。

此外，这种光纤能在2．08ftm，2．3f4m和2．7Pm的中红外波长区产生激光输出也具有十分重要的价值。

这种光源可能在通信，医学，大气通信和光谱学方面得到应用。

光纤激光器的输出方式可以是连续的，也可以是脉冲的。

光纤激光器的调Q和锁模以及亚纳秒脉冲业已获得。

光纤激光器可以在其整个荧光谱范围内进行调节输出。

最重要的是可以获得窄带宽，单纵模的输出。

因此也可用于相干通信以及其他单色性要求较高的应用场合。

光纤放大器的优越性能以及用LD作为泵浦源实现了放大，使其在光通信系统中的应用越来越广泛。

目前有关光纤激光器和放大器的研究大部分来自与光通信有关的实验室和研究机构，因为他们在光纤制备方面得天独厚，但实际上在其它领域光纤激光器和放大器的应用也初见端倪，例如光谱学，非线性光学，计量学，全息学，传感器和医学等领域，甚至在印刷和滑雪过程中。

我们将会看到，在整个国际科技界中涉及光纤激光器的技术领域将会越来越多。

二．光纤激光器原理
利用掺杂稀土元素的研制成的放大器给光波技术领域带来了革命性的变化。

由于任何光放大器都可通过恰当的反馈机制形成器，因此光纤激光器可在放大器的基础上开发。

目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土元素的作为增益介质。

由于光纤激光器中纤芯很细，在泵浦光的作用下内极易形成高功率密度，造成工作物质的能级“粒子数反转”。

因此，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成振荡。

另外由于基质具有很宽的荧光谱，因此，光纤激光器一般都可做成可调谐的，非常适合于WDM系统应用。

和半导体器相比，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。

也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。

对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点：（1）阈值应越低越好；（2）输出功率与抽运光功率的线性要好；（3）输出偏振态；（4）模式结构；（5）能量转换效率；（6）器工作波长等。

三．光纤形式激光器的优点
1．波导式结构
光纤激光器具有波导式的结构，可以在光纤纤芯中产生较高的功率密度。

它所基于的硅光纤的工艺现在已经非常成熟，因此可以制作出高精度，低损耗的光纤。

如果光纤的选择使泵浦和信号波长均运行于单模工作状态，则泵浦和信号光场之间的重合性非常好。

由于光纤的几何特点，使得这种结构具有较高的面积一体积比，因而其散热效果很好。

以上这些特点就决定了硅为基质的光纤激光器可以在较低的功率泵浦下工作在连续的输出状态，而其它块状玻璃介质的激光器一般仅能工作在脉冲状态，常需要相当高的泵浦能量以获得激光输出。

光纤的圆柱形结构还具有下列两个优点，便于在光通倍和医学中应用。

(1)．由于光纤激光器本质上是一种光纤结构，因此它可以以较高的锅台效率与目前
的光纤传输系统连接。

(2)．由于光纤结构小巧便于操作，在医学的某些应用中是理想的，例如深入到人的
胃中。

事实上，基于光纤结构的激光器使得某些器件成为可能。

我们可以利用定向锅台器的优点得到光纤形式的分束器。

这一点对避免光纤系统连接时的衍射损耗非常有利。

这样就可以不离开光纤形式完成光波的分束，利用这一特点就可以形成全光纤反射器，干涉仪和谐振腔。

这种光纤激光器的设计使得低闭值操作，波长调谐和窄谱线输出都成为可能。

掺稀土元素离子激光器的一个重要性质在于其输出光谱特性受到掺杂离子周围分子环境的显著影响。

这种性质引起两个可利用的特性。

其一是可以通过改变基质玻璃的组份来调节指出波长。

其二是当基质是玻璃时，可以观察到较宽的荧光。

通过对图1—1
所示的腔结构进行改进，例如加上一个波长选择反射器，就可以得到50nm或更宽范围内的可调谐激光输出。

光纤激光器可以提供许多输出波长，其中某些波长对于光通信是非常重要的。

输出光波长由掺杂到纤芯中的稀土元素离子所决定。

在光谱段上1．33f4m和1．55flm波长的输出是最重要的，因为它们对应于光通信的两个低损耗窗口。

1．55捍m的输出操作可以利用半导体器件作为泵浦源，因此意味着用较低的成本即可实现有价值的激光输出。

目前，利用光纤激光器得到了2—3捍m范围内的激光谱线输出，这个波段的输出在更低损耗的中红外通信中有着潜在的应用价值。

四．光纤激光器的现状及发展趋势
国内现状
我国商用光纤激光器目前全部依赖进口，原因是我们还没有实现光纤激光器的商品化和产业化。

我国光纤激光器的研制其实并不落后，已经有好几个单位实现了连续200W以上的输出功率，但我国光纤激光器的产业化工作明显滞后。

下面分析一下我国光纤激光器产业化发展滞后的原因。

前文已经提到，发展全光纤激光器需要5大关键技术，不难看出，这5大关键技术除半导体泵浦激光器外，其他4大关键技术全部与光纤技术密切相关，准确的说，是与能量光纤技术密切相关。

能量光纤技术是以信号光纤技术为基础发展起来的，而信号光纤技术主要是为光纤通信服务的，因此，能量激光和光通信这两个技术领域通过光纤这种特殊的媒质联系起来，使从事光纤和光纤器件研制和生产的单位能够深入地介入这两个技术领域并成为其核心力量。

在光通信走入低谷的时候，适逢光纤激光器取得历史性突破之时，国外许多从事光通信光纤器件研制生产的单位开始转向能量光纤器件的研制和开发，以寻求新的发展机遇、拓展生存空间。

这些投入能量光纤激光器开发的单位目前已经成为光纤激光器发展的重要力量，为发展新型全光纤激光器作出了巨大贡献。

我国进行光纤器件生产和开发的单位虽然非常多，但总体技术水平较弱，在光通信走入低谷的时候，相关单位基本上只能选择在本行业苦苦支撑或关闭生产线两种方式，无力投入巨大资源进行能量光纤器件的研制和开发，所以，当全光纤激光器飞速发展对能量光纤器件提出迫切需求的时候，我国在这方面基本上还是一片空白。

对于我国最早从事光纤激光器研制的单位来说，面对国内的这种局面，发展全光纤激光器基本上没有基础可言，因此，透镜整形聚焦端面泵浦外腔结构的方案成为现实选择。

这种结构很接近传统的全固态激光器，对光纤技术的依赖程度很低，采用非光纤技术即可制作。

但是，实践证明，光纤激光器只有采用全光纤结构才能充分体现整体的一致性、完整性、和谐性和匹配性，采用充分展现光纤激光器的优势，因此，全光纤结构方案更加符合光纤激光器发展的本质规律，所以，在世界范
围内，全光纤激光器成为主流方案有其必然性。

五．结语
随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展，器技术正在不断向广度和深度方面推进；技术的进步，特别是以光栅、滤波器、技术等为基础的新型器件等的陆续面市，将为器的设计提供新的对策和思路。

包层泵浦器和单波长、2lRFL和3lRFL的面市，无疑体现出器的巨大潜力。

尽管目前多数类型的器仍处于实验室研制阶段，但已经在实验室中充分显示其优越性。

目前器的开发研制正向多功能化、实用化方向发展。

其中比较突出的器类型有：能根据客户需要波长而输出特定波长的Raman 器，针对WDM系统而开发的基于超连续谱的多波长器，能改变波长间隔的多波长器。

可以预见，器将成为LD的有力竞争对手，必将在未来光通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示和印刷等领域中发挥重要作用。