光纤激光器原理及其应用

光纤激光器原理及其应用

耿文学，耿京

(北京交通大学，北京100081)

1光纤激光器的出现与工作原理

1870年代人们通过观察酒桶中流出的酒水能

把灯光弯弯曲曲地传输，悟出了光线能在芯部折算

率高外层折算率低的透明介质中弯曲传输的道理，用石英或玻璃做出了光导纤维，用于胃镜等。但长 距离的应用受到了透明度的限制。1966年33岁的 中国电气工程师高锟(1933-)提出了减少材料中的 杂质就能提高透明度，看似雕虫小技，但使光纤应 用迅速开展。高锟获得2009年诺贝尔奖。

上世纪五十年代就有不只一个国家的科学家 提出了激光器的预言，1960年6月美国休斯公司 33 岁的梅曼 T.H.maiman(1927-2007)做出了第一台 激光器。输出的光，像整齐排列的队伍（普通光是自 激辐射，激光是受激辐射）单色性纯、亮度高、方向 准。受到重视，1980年5月第一次国际激光大会在 北京召开。邓小平接见了与会人员。1961年美国光 学公司的E.Snitzer就提出了光纤激光器的设想，近年来光纤激光器面市了，它阈值低、增益高、散热 好，受到欢迎。目前输出功率从10W到100kW以上。作为工业应用，现已成为输出功率最高的激光 器。应用领域正在迅速扩大。

传统的固体激光器一样。光纤激光器也是由泵 浦源、增益介质、谐振腔三个基本部分组成。泵浦源 一般采用高功率发光二极管，增益介质是搀有钕 (Nd)等稀土元素的光纤，光纤两端的反射镜就做成 了谐振腔。

双色镜聚焦准直

图1光纤激光器的基本结构示意图

2 光纤激光器的应用

2.1光纤激光器在工业方面的应用

光纤激光器其结构紧凑、光转换效率高、预热 时间短、受环境影响小、容易维护，组合方便。可用 于激光打标、激光焊接、激光切割等。由于光纤激 光器具有较高的光束质量和定位精度，在打标系统 中正取代效率不高的二氧化碳激光器和氙灯泵浦 的Nd:YAG激光器。仅在日本，每月的需求量就超 过百台。我国对光纤激光打标机的需求每年超过上 千台。大功率光纤激光器可应用于激光焊接和切 割。如德国宝马汽车公司已用于车门焊接生产线 上。

2.2光纤激光器在传感器方面的应用

光纤激光器用作传感器光源，效率高，可控制、稳定性好，紧凑小巧、重量轻，维护方便和光束质量 好。与现有的光纤器件容易耦合。现在超导磁悬浮 技术中的温度.位置.速度检测都可以应用光纤激光 器。1933年德国物理学家迈斯纳发现物体冷却进

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人超导态时，附近永久磁铁(例如钕铁硼)会被推持 而悬浮，是利用超导体的抗磁性。因为磁力线不能 进人超导体内，所以在超导体表面形成正的磁通密 度梯度，对永磁体产生排斥。排斥力随相对距离的 减小而逐渐增大，它可以克服永磁体的重力，使其 悬浮在超导体上方的一定高度上。当永磁体远离超 导体时，在超导体中产生负的磁通密度梯度，对永 磁体产生吸力，可以克服永磁体的重力，使其倒挂 在超导体下方。

2.3光纤激光器在通信方面的应用

光纤激光器比常规激光系统在结构紧凑性、散 热、光束质量、体积小和兼容性方面具有显著优势。光纤激光器可以产生高重复率、脉宽超窄的光脉 冲，而且激光波长一般1.55 !m，正适合光纤通信。

2.4光纤激光器在医疗方面的应用

激光不仅用于外科手术，而且可以广泛地用于 医学诊断（如细胞影像）、药检、DNA排序、细胞分类 和蛋白质分析等方面。现在，用于临床手术的大多 是氩离子激光器（0.5 !m左右）二氧化碳激光器 (10.6 !m)和YA5激光器（1.06 !m)，这些激光器的 光束质量不高，体积也大，需要庞大的水冷系统，安 装和维护比较麻烦。光纤激光器要好得多。因为水 分子对波长2 !m的光有一个吸收峰，将2 !m光纤

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激光器用作外科手术工具时可以实现快速止血，减 少手术对人体组织的破坏。光纤激光器不仅可作为 超精密外科手术刀，而且可用于视力矫正手术和牙 科治疗，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗 症。近来也有用光纤激光器对单个细胞进行精密手 术或基因疗法的研究。利用光纤激光器的超短脉 冲进行成像和图像处理方面的技术也在研究中。光 纤激光器在医学应用很有前途。

2.5光纤激光器在军事上的应用

高能激光武器一直是军事领域防御和进攻武 器的研究重点。高功率光纤激光器以其高亮度、小 照射面积、体积小等优点，成为战术高能激光武器 优先发展技术，越来越受到重视。随着大模场双包 层掺杂光纤制造工艺的发展和高亮度半导体发光 二极管泵浦技术的发展，单台光纤激光器的输出功 率不断提升，例如，2009年，IP5公司采用多级放大 的方式实现了 9.6 kW的单模单纤激光输出，光束 质量很好，电光效率接近30%，启动到满功率输出 时间约几百微秒，寿命上万小时。多年来，美国军方 已将光纤激光器作为重点的激光武器研究。已成功 地用于排除未爆弹药和简易引爆装置；反迫击炮弹 和摧毁低空飞行的无人机等。

POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS (上接第62页）

侧、右侧有无其它车辆过来，是该避让，还是自己先 行。或是要按喇叭，警告别的车辆，这些都要自动驾 驶系统做出决定。

设计这样一个自动驾驶系统，输人量就是前面 说的六个摄像传感器，包括识别前方的交通红绿 灯、判断前方有无障碍物的识别、车后视镜功能的 摄像传感器，用于倒车时探测有无障碍物，等等。输出量包括汽车的开、停、前行、倒车、速度等等，必要 时还有发出鸣笛等等。尽管设计这样的自动驾驶系 统可以做到十分完好，但是“人命关天”，交通主管 部门还是不会轻易做出决定，批准自动驾驶的汽车 上路。目前我们只好等待，不知哪年哪月，等到有一 天，无人驾驶的汽车可以上路了。那一天是皆大欢 喜？还是皆大担忧？

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