光纤激光器的发展和研究现状

科研训练报告

设计题目：光纤激光器的发展和研究现状

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光纤激光器的发展和研究现状

摘要：

光纤激光器以其无与伦比的性能优势吸引了研究人员的兴趣和产业界的重视。本文回顾了光纤激光器的发展历程,对比总结了光纤激光器的优势,并提出了光纤激光器的发展趋势 ,对光纤激光器的研究具有参考作用。

Abstract:

Fiber laser’s unmatched perfor mance advantages attracted the interest of researchers and attention of the industry . This paper reviewed the development of fiber laser, summarized its advantages and presented the development trend, which offered reference t o the research of fiber laser .

关键词:

光纤激光器;原理;发展趋势

Key words:

fiber laser ; principle; development trend

引言：

近几年，光纤激光器因其具有优异的光束质量、非常高的功率和功率密度、易于冷却、高的稳定性和可靠性等多方面的优点引起了研究人员和应用者日益浓厚的兴趣，已经在和将在通信、医疗、军事等领域大展身手。并在多种应用场合取代目前常用的气体和固体激光器。光纤激光产品的出现以及性能的不断改善必将加快激光在各种领域的应用，从而提高工业生产水平和人们的生活质量。

1光纤激光器的基本原理和结构

1. 1光纤激光器的原理

在光纤纤芯中掺入稀土离子，泵浦光通过光纤时，纤芯中的稀土离子吸收泵浦光，跃迁到激光上能级，产生粒子数反转。反转后的粒子在自发辐射光子或者特别注入的光子诱导下以受激辐射跃迁到激光下能级，同时发射出与诱导光子相同的光子，这样的过程雪崩般发生，于是发射出激光。这就是光纤激光器的基本原理。选择在光纤中掺稀土离子构成光纤激光器，部分原因就是稀土离子的吸收范围正好与半导体激光器的辐射范围重合，因而能方便地采用成本低廉的、工艺较为成熟的半导体激光器作为泵浦光源。

1. 2光纤激光器的结构

光纤激光器的基本结构由增益介质、谐振腔与泵浦源组成。增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入光纤，经准直光学系统和滤波器得到输出激光。从理论上来说，只有泵浦源和增益光纤是构成光纤激光器的必须组件，而谐振腔并非必不可缺的组件。谐振腔的选模和增加增益介质长度的作用在光纤激光器中是可以不用的，因长光纤本身可以非常长,从而获得很高的单程增益，而光纤的波导效应又可以起到选模的作用。但实际应用中人们一般希望使用较短光纤，所以多数情况下采用谐振腔，以引入反馈。

1. 3光纤激光器的分类

光纤激光器种类繁多,按照不同的标准可以分成若干种类，具体分类如表1

表1光纤激光器分类表

2光纤激光器的发展历程

虽然光纤激光器在最近几年成为研究和关注的热点，但光纤激光器并非新生事物。就在激光器诞生后的第二年即1961 年，美国光学公司(American Op tical Corporation )的E. Snitzer采用灯泵浦0. 012英寸(约304μm )和32μm 两种直径的光纤(纤芯材料是掺Nd3 +钡冕玻璃( bariumcrown glass) ,包层是苏打-石灰-硅酸盐材料) ，观察到了中心波长为 1. 06μm 的受激辐射现象，这是国际上最早报道的光纤激光器。1964年C. J. Koester和E. Snitzer又发表了多组份玻璃光纤中的光放大结果。不久以后，光纤激光器被用于光学信息处理方面的工作，但由于当时条件的限制，此后光纤激光器的发展基本停滞不前。

高锟和Hockham 在1966年首先讨论了利用光纤作为通讯介质的可能性。

此后光纤在通信领域得到较快发展，经历了研究开发阶段( 1966～1976 ) 、实用化阶段( 1977～1986 )后迅速进入发展阶段即1986年以后的大规模光纤通信建设阶段。由于光通信的迅猛发展，光纤制造工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟，基于石英光纤的定向耦合器这样的重要器件也成功制作，这一切为光纤激光器和放大器的发展奠定了坚实的基础。

到20世纪80年代中期，世界各地的许多研究组开始进行光纤激光器的研究。从此，光纤激光器取得了长足的发展。1985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。他们用MCVD方法制作成功单模光纤激光器，此后他们先后报道了光纤激光器的调Q、锁模、单纵模输出以及光纤放大方面的研究工作。英国通信研究实验室(BTRL )于1987年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置，同时在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的基础工作,在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面做了开拓性的工作。世界上还有很多研究机构活跃在这个研究领域，如德国汉堡技术大学，日本的NTT、Hoys，三菱，美国的Polariod Copration，贝尔实验室，斯坦福大学和GTE等。1988年，E. Snitzer等提出了双包层光纤，从而使一直被认为只能是小功率器件的光纤激光器可以向高功率方向突破。1989年则又掀起了锁模光纤激光器的研究热潮，这类激光器能产生超短脉冲,并在超快现象、光纤通信和光纤传感,测距等方面有应用价值。

1994年，H. M. Pask等人首先在掺Yb3 +石英光纤中实现了包层抽运，得到了最大500mW的激光输出，斜率效率达到80%。此后出现了高功率用有源光纤、传输光纤光纤、反射镜、滤波器、耦合器、隔离器和光束组合器等光纤器件。1998年，Kosinki报道了一种内包层截面形状为星形的掺Yb3 +双包层光纤激光器，得到了20W的激光输出。1999年V. Dominic等人报道了高功率掺Yb3 +双包层光纤激光器的研究结果，他们用4个45W的半导体激光二极管阵列组成总功率为180W 的泵浦源，在波长1120 nm处得到110W的激光输出。

进入21世纪后，高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进，最高输出功率记录在短时间内接连被打破，前单纤输出功率(连续)已达到2000W以上。IPG ( photonics)公司凭借在2000年获得的1亿美元的风险投资异军突起，展示了各式光纤激光器和放大器: S、C、L 波段的各种光纤放大器、高功率的EDFA、拉曼光纤激光器和双波长拉曼光纤激光器。它推出一系列的掺Yb高功率光纤激光器，现在输出功率有直到50 kW的产品可供选择。德国的IPHT也有极高的研发和制造水平，它们也加入到新产品的市场竞争中来。现在已经有多台千瓦级光纤激光器在美国、欧洲、亚洲投入到工业加工或科学研究中。

国内从20世纪80年代开始这个领域的研究工作，如上海光机所、清华大学、华中科技大学、中国科学技术大学、天津大学以及邮电部和电子部所属的一些研究单位，在光纤激光器、放大器和相关器件的研究中都取得了一定的进展。国内掺Yb3 +双包层光纤激光器的研究起步较晚。南开大学开展掺镱双包层光纤激光器的研究工作，并取得了一系列的科研成果，特别是在双包层光纤光栅方面取得了开创性成果。上海光学精密机械研究所则在光纤激光器研制方面开展了许多重要的工作，经过对抽运光的整形，大大提高了耦合效率，报道的百瓦量级的掺镱双包层光纤激光器，实现了高达70%的光转换效率。2005年，烽火通信科技股份有限公司与上海光机所楼棋洪研究员等合作，成功研制出功率高达440W 的掺镱双包层光纤激光器,其中双包层掺镱光纤由烽火公司拉制。最近，他们采用烽火公司的大模场面积双包层光纤，又将功率值提升到714W。中国兵器装备研