激光器简史及光纤激光器简介
《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，
光纤激光器的发展及现状
4.光纤激光器特点及应用
光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合 效率高，易形成高功率密度，散热效果好， 无需庞大的制冷系统，具有高转换效率， 低阈值，光束质量好和窄线宽等优点。光 纤激光器通过掺杂不同的稀土离子可实现 380nm－3900nm波段范围的激光输出， 通过光纤光栅谐振腔的调节可实现波长选 择且可调谐。
3.光纤激光器结构
光纤激光器主要由泵源，耦合器，掺 稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵源 由一个或多个大功率激光二极管构成，其 发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作 为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长 上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子 数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反 馈和振荡形成激光输出
美国IPG公司已于2004年8月在德国建 成10KW掺Yb双包层光纤激光器，该激光器 输出光束质量为11.5mm.mrad，输出功率 1KW～10KW连续可调，最大功率密度 30MW/cm2,输出尾纤直径200μm，这是 迄今为止已报道的最高光纤激光器功率输出。 而英国，俄罗斯，日本，德国等国也在光纤 激光器领域取得许多重要成果。其中英国南 安普顿大学研制的1KW单模光纤激光器保持 着单模光纤激光器最高输出的纪录
光纤激光器的发展 及现状
主要部分
(1).光纤激光器的历史 (2).光纤激光器的分类 (3).光纤激光器结构 (4).光纤激光器特点及应用 (5).前景与展望
1.光纤激光器的历史 激光器问世不久,美国光学公司(American Optical Corporation)于1963年首先提出 了光纤激光器和放大器的构思。1966年 高 锟和Hockham对光纤及其在光纤通信中的应 用提出了划时代的新观点。1970年，光纤的 传输特性达到了实际应用的水平，同年也实 现了半导体激光器室温下连续工作。这两大 科技成果为光纤通信奠定了坚实的技术基础。
光纤激光器发展概况
而三能级系统中，下能级E1是基态，或是极靠 近基态的能级。通常情况下，粒子几乎全部处 于基态。必须将一半以上的粒子激发到高能级 时才能实现粒子数反转，这就需要较高的泵浦 功率。所以，三能级系统的阈值泵浦功率远高 于四能级系统。
除能级数目外，另外一个对阀值有影响的重要因 素是光纤介质的长度。在一个端面泵浦光纤激光 器中，所能得到的泵浦光子数和粒子反转数将在 泵浦端达到最大值。如果光纤太短，则对泵浦光 的吸收不充分。
光纤激光器的应用
光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格， 在光纤通信、光纤传感、工业加工、医疗、 军事等领域取得了日益广泛的应用。
光纤激光器的基本理论
光纤激光器按工作原理可分为四类:稀土类掺 杂光纤激光器;光纤非线性效应激光器；单晶 光纤激光器;塑料光纤激光器。
形成光纤激光的三个必须条件是:增益介质、 谐振腔和粒子数反转。
但这并不意味着光纤越长越好，因为光纤太长， 在输出端介质对激光光子吸收将使输出功率下降。
光纤激光器谐振腔结构
谐振腔是光纤激光器的重要组成部分，对辐 射光进行反馈和选频，形成谐振，输出激光。 谐振腔有多种结构，其中常见的是FabryPerot腔和环形腔。
如下图所示，Fabry-Perot谐振腔是由平行放置 的介质镜组成的，其中一个是全反，另一个是部 分反射，两个介质镜可放置在光纤的两端，也可 直接镀在光纤的端面上。Fabry-Perot谐振腔如 下图
泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入光
纤，激励光纤中的掺杂离子跃迁到高能态，离子 无辐射跃迁到亚稳态形成粒子数反转，再受激辐 射跃迁回基态产生光子，光子在谐振腔中振荡放 大后形成激光输出。
认识光纤激光器
04
光纤激光器优缺点及挑战
优点分析
高效率
01
光纤激光器具有高效率的能量转换，能够将大 部分输入电能转换为激光输出，降低了能源浪
费。
结构紧凑
03
光纤激光器采用光纤作为增益介质，使得整个 激光器的结构非常紧凑，方便集成和应用于各
种场合。
光束质量好
02
输出激光光束质量高，具有较小的发散角和较 高的亮度，使得光纤激光器在精密加工和远距
1 2
3
泵浦源类型
主要包括半导体激光器和光纤耦合激光器等，不同类型的泵 浦源具有不同的输出特性和适用范围。
泵浦方式
分为端面泵浦和侧面泵浦两种方式，端面泵浦效率高、光束 质量好，但热效应显著；侧面泵浦散热效果好、功率可扩展 ，但光束质量相对较差。
泵浦波长
泵浦源的波长需要与增益光纤的吸收峰相匹配，以实现高效 的能量转换。
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认识光纤激光器
目录
• 光纤激光器基本概念与原理 • 光纤激光器关键技术与参数 • 光纤激光器应用领域与市场现状 • 光纤激光器优缺点及挑战 • 光纤激光器未来发展趋势与前景
01
光纤激光器基本概念与原理
光纤激光器定义及发展历程
光纤激光器定义
光纤激光器是一种利用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质， 通过泵浦光的作用实现粒子数反转，进而产生激光输出的光 学器件。
表面处理
光纤激光器可用于金属、 非金属材料的表面处理， 如打标、雕刻、清洗等。
通讯传输领域应用
光纤通信
光纤激光器是光纤通信系统中的 关键器件，用于产生和放大光信 号，实现长距离、大容量的信息 传输。
激光雷达
光纤激光器可用于激光雷达的发 射光源，实现高精度、远距离的 测量和探测。
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。
光纤激光器简介
目录第一章、激光基础第二章、激光器第三章、光纤的特性第四章、光纤激光器第五章、实验室激光器型号及操作安全第一章激光基础1.1什么是激光激光在我国最初被称为“莱赛”，即英语“Laser”的译音，而“Laser”是“Light amplification by stimulated emission of radiation ”的缩写。
意为“辐射的受激发射光放大”，大约在1964年，根据钱学森院士的建议，改名为“激光”。
激光是通过人工方式，用光或者放电等强能量激发特定的物质而产生的光。
激光的四大特性：高亮度、高单色性、高方向性、高相干性。
具有高亮度的激光束经过透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其能够加工几乎所有材料。
由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。
1.2激光产生的基本理论1.2.1原子能级和辐射跃迁按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续的轨道，这些轨道称为能级,如图1-1。
激发态基态当电子在不同的能级时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级称为基态。
当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时，原子的能量泵浦原子核图1-2电子跃迁图加，从外界吸收能量。
反之，电子从较高能级跃迁到较低能级时，向外界发出能量。
在这个过程中，若原子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射跃迁。
发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1）。
1.2.2受激吸收、自发辐射、和受激辐射受激吸收：处于低能级上的原子，吸收外来能量后跃迁到高能级，则称之为受激吸收。
自发辐射：由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级上的原子总是要自发跃迁到低能级上去，如果跃迁中发出光子，则这个过程称为自发辐射。
受激吸收自发辐射受激辐射两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越高。
如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的音调频率就高，反之则低。
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
光纤激光器发展史
光纤激光器发展史光纤激光器是一种利用光纤作为激光介质的激光器。
它具有高效率、高功率、高质量光束等优点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
本文将从光纤激光器的起源、发展和应用等方面进行详细介绍。
光纤激光器的起源可以追溯到20世纪60年代初，当时美国贝尔实验室的研究人员首次提出了将激光放大器与光纤结合的想法。
然而，由于当时光纤的制备技术还不成熟，导致光纤激光器的实际应用受到很大限制。
直到20世纪70年代初，随着光纤技术的突破和激光技术的发展，光纤激光器才开始逐渐成为研究的热点。
1970年，美国贝尔实验室的Peter C. Schultz等人首次实现了光纤激光放大器的工作原理，标志着光纤激光器的诞生。
光纤激光器的发展离不开光纤技术的进步。
20世纪70年代中期，研究人员开始采用单模光纤作为光纤激光器的激光介质，以提高光束质量和功率输出。
此后，光纤材料的制备工艺不断改进，光纤的损耗逐渐降低，使得光纤激光器的性能得到了大幅提升。
随着光纤激光器的技术突破，其应用领域也得到了广泛拓展。
光纤激光器在通信领域的应用尤为重要。
1983年，美国贝尔实验室的Kumar N. Patel首次将光纤激光器应用于光纤通信系统，实现了长距离、高速率的光纤传输，开启了光通信时代的大门。
除了通信领域，光纤激光器在医疗和材料加工领域也发挥着重要作用。
医疗方面，光纤激光器可以用于激光手术、激光治疗等，具有创伤小、恢复快的特点。
材料加工方面，光纤激光器可以用于切割、焊接、打孔等工艺，具有高精度、高效率的优势。
随着科技的不断进步，光纤激光器的性能和应用领域还将继续拓展。
目前，研究人员正在努力提高光纤激光器的功率输出和光束质量，以满足更高要求的应用场景。
同时，光纤激光器在激光雷达、光纤传感等领域也有着广阔的发展前景。
光纤激光器作为一种重要的激光器件，经历了从起源到发展的历程，并在通信、医疗、材料加工等领域发挥着重要作用。
随着技术的进步，光纤激光器的性能和应用还将不断提升，为人们的生活带来更多便利和可能性。
光纤激光器lp2011
E (t ) Eq exp[i(0 qΩ)t q ]
N
N
4. 如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0，则
E (t ) Eq eiqt ei0t N
N
1 sin (2 N 1)(t ) i0t 2 E0 e 1 sin (t ) 2
光纤环形镜Fabry-Perot腔
环形镜
反射功率与透射功率为 ： Pt ( 1 2k ) 2 Pin Pr 4k (1 k ) Pin
环形镜
反射
反射
透射
光波既可以通 过另一端输出；又 可以再从输入端反 射。
透射
激光器要实现振荡，要求光纤圈提供正反馈。由此 得到谐振腔的有效腔长为：
光纤激光器的优点： 1. 光纤激光器具有波导式结构，可以在光纤纤芯中产 生较高的功率密度，使得激光效率大幅度提高；它 所基于的SiO2光纤的生产工艺现在也已经非常成熟， 可以制作出高精度、低损耗的光纤。 2. 光纤激光器基质是SiO2 ，具有极好的温度稳定性； 而光纤结构具有较高的面积－体积比，所以其散热 效果很好。 3. 光纤激光器与常规光纤具有自然的通融性和兼容性， 因此易于进行光纤集成，与通信线路耦合损耗低， 使用方便可靠。
I r I [G ) 20 2 i L r exp ] ( 1 n
要保证激光在腔内振荡，要求： 平均损耗系数 1 G n ln r r ) i (1 2 2 L 反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振 荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件)：
Lq 2 n1
光纤光栅Fabry-Perot腔
pump
3、窄带输出的光纤激光器
2 e d n 通过光纤光栅的选模作用：B 达到窄带输出。B是布拉格波长， d是光栅周期，ne是有效折射率。
《光纤激光器》课件
光子晶体光纤激光器技术
1
光子晶体光纤激光器技术是指利用光子晶体光纤 的特殊光学性质，实现高性能光纤激光器。
2
光子晶体光纤是一种具有周期性折射率变化的光 纤，可以实现对光的控制和传输，具有低损耗、 高非线性等优点。
3
光子晶体光纤激光器的关键技术包括光子晶体光 纤的设计和制备、激光器的结构优化、增益介质 的选择等。
散射腔组成。
谐振腔的作用是选择和放大 特定波长的激光，并通过反 射镜的反射和散射作用，形
成稳定的振荡模式。
谐振腔的设计和调整对光纤激 光器的输出功率、光束质量和
模式特性具有重要影响。
温度和应力控制元件
为了保持光纤激光器的稳定运行，需 要对其内部温度和应力进行控制，通 常采用热电制冷器、加热器、温度传 感器和应变片等技术手段。
实现小型化与集成化
光纤激光器的小型化
随着技术的进步，对光纤激光器的尺寸 和重量要求越来越严格，实现小型化可 以使其更加灵活、便携，满足各种应用 场景的需求。
VS
集成化
将光纤激光器与其他器件或系统集成，可 以简化结构、降低成本、提高稳定性，有 助于推动光纤激光器的广泛应用。
拓展应用领域
新材料加工
随着新材料的不断涌现，光纤激光器在加工 这些材料方面具有独特的优势，拓展应用领 域有助于发掘新的应用价值。
05
光纤激光器的挑战与前景
提高输出功率与光束质量
提高输出功率
随着工业生产和科学研究的不断发展，对高功率光纤激光器的需求日益增长。提高输出功率有助于扩 大光纤激光器的应用范围，提高加工效率和精度。
改善光束质量
光束质量是影响光纤激光器性能的关键因素，改善光束质量可以提高激光的聚焦能力和传输稳定性， 进而提升加工效果。
光纤激光器简介
光纤激光器简介二、光纤激光器的结构和类型1.光纤激光器的结构要产生激光，必须具备工作介质、泵浦源和谐振腔这三个基本条件。
光纤激光器一般是采用掺杂光纤作为工作介质，以光纤光栅、光纤环形镜或光纤端面等作为反射镜来构成反馈腔。
光纤激光器普遍采用光泵浦，泵浦被耦合进光纤，由于光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下光纤内容易形成高功率密度，造成激光工作介质的能级上“粒子数反转”，再加上合适的反馈装置构成谐振腔，就能够产生激光振荡。
1.1 泵浦方式(1)小功率LD端面泵浦.。
采用一定的耦合系统将泵浦光会聚到较小的激光介质表面,可以实现激光器表面处的高泵浦功率密度,实现对激光介质的高效泵浦.这种小功率激光器的单模纤芯直径只有9um，它只能采用端面泵浦，无法承受太高的功率密度。
同时单模纤芯对LD的模式提出了严格的要求，只有单模光才可以耦合进纤芯进行有效泵浦，但是大功率单模LD至今无法实现，该种结构一直局限于光通信领域。
(2)高功率泵浦.其中一个典型的结构及时采用杈纤进行侧面泵浦,其结构如图1.2 谐振腔结构(1)线形腔a. DBR光线激光器. DBR光纤激光器使用两个较高反射率的光纤光栅作为反射镜，将其置于掺杂光纤的两端，构成线形激光谐振腔来增强模式选择。
b.DFB光纤激光器. 是利用直接在稀土掺杂光纤写入的光栅来构成谐振腔的。
(2)环形腔光纤环形谐振腔的结构如图..1.3增益介质现在大部分的光线激光器都采用掺杂光纤作为增益介质。
目前,比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Nd3+、Yb3+。
掺铒光纤在1.55um波长具有很高的增益，对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒光纤激光器发展十分迅速。
掺镱光纤激光器是1.0-1.2um 波长的通用源，Yb3+具有相当宽的吸收带（800-1064nm）以及相当宽的激发带（970-1200nm），故泵浦源的选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。
2.光纤激光器的类型2.1 按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为：(1) 晶体光纤激光器。
光纤激光器的简单介绍
光纤激光器的简单介绍摘要：光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件，它是激光技术的前沿课题。
简要介绍了光纤激光器的基本原理、分类及特点，并对光纤激光器技术的应用作了简单介绍。
关键词：光纤激光器原理特点应用1 引言光纤激光器的研究工作最早开始于1961年，由美国光学公司(American Optical Company)的E．Snitzer等最先提出。
但是由于受到当时条件的限制，实验工作没有很大的进展。
直到八十年代，用MCVD法成功制成了低损耗的掺铒光纤，才为光纤激光器的发展带来了新的前景。
和传统的半导体激光器相比，光纤激光器具有高增益、斜率效率高、线宽窄、可宽带调谐、散热性能好以及易于和传输光纤耦合等优点。
因此它在通信、军事、医疗和光信息处理等领域都将有广阔的应用前景，特别是在光通信领域，随着光波分复用和光时分复用技术的发展，光纤激光器将能很好地满足通信系统对光源的更高要求。
2 光纤激光器的基本原理、分类及特点2.1光纤激光器的基本原理[1]目前开发的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。
光纤激光器工作原理是泵浦光通过反射镜（或光栅）入射到掺杂光纤中，吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁，实现“粒子数反转”，反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，同时将能量以光子形式释放，通过反射镜（或光栅）输出激光，如图1 所示。
[2]掺稀土元素的光纤通常为双包层光纤（Double Clad Fiber,DCF）。
此种光纤结构如图2所示，由外包层、内包层和掺杂纤芯所构成，外包层的折射率小于内包层的折射率，内包层的折射率小于纤芯的折射率，从而构成双层的波导结构。
掺杂双包层光纤是构成光纤激光器的关键部件，在光纤激光器中的作用主要是：）将泵浦光功率转换为激光的工作介质；）与其他器件共同构成激光谐振腔。
其工作原理主要是：将泵浦光通过侧向或端面耦合注入光纤，由于外包层折射率远低于光纤的内包层，所以内包层可以传输多模泵浦光。
光纤激光器
与固体、气体激光器相比：能量转换效率 高、结构紧凑、可靠性高、适合批量生产； 与半导体激光器相比：单色性好，调制时 产生的啁啾和畸变小，与光纤耦合损耗小。
光纤激光器发展历史
❖ 1964 世界上第一个玻璃激光为钕玻璃光纤激光 (Appl.Opt.,3.1964.1182）
v 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。
v 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。
v 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。
❖ 光纤激光器的主要特点
光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易 形成高功率密度，可方便地与目前的光纤 通信系统高效连接，构成的激光器具有高 转换效率、低阈值、高增益、输出光束质 量好和线宽窄等特点；
❖ 1999 用4只45W半导体激光泵浦掺镱双包层光纤，实 现110W输出，波长1120nm的激光输出 （ Elect.Lett.,35.1999.1158）
❖ 2002年 采用双波长泵浦钕／镱共掺杂的双包层光纤， 获得150W激光输出（CLEO,2002）
❖ 2003年1月Jena的IPHT报道了其采用双重涂覆的掺Yb光 纤的200W光纤激光（SPIE，4974）
主要内容
1
光纤激光器的定义
2
光纤激光器的基本结构
3
光纤激光器的类型及特点
4
光纤激光器发展历史
5
光纤激光器的应用
什么是光纤激光器
v 光纤激光器是指用掺稀土 元素玻璃光纤作为增益介 质的激光器，光纤激光器 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
光纤激光器概述光纤激光器是一种利用光纤将激光能量传输的设备。
它利用光纤作为激光工作介质，通过激光的放大和功率增强，将激光信号传输到目标位置。
光纤激光器具有高能量密度、高光束质量、紧凑轻便和波长多样性等优势，被广泛应用于通信、材料加工、医疗和科学研究等领域。
工作原理光纤激光器的工作原理基于激光的受激辐射效应。
当外部能量输入到光纤中时，光纤中的活性物质（如掺铒离子、掺钕离子等）将吸收能量并跃迁到高能级。
随后，一部分活性物质的粒子将在受激辐射的作用下跃迁到低能级，并辐射出与输入能量相对应的光子。
这些光子首先经过光纤中的光放大介质，不断受到受激辐射的反复作用，形成一束相干的激光。
然后，通过光纤内部的光学元件（如光纤耦合器、准直器等），激光信号被调整为所需的波长和光束质量。
最后，激光信号从光纤的输出端口传输出来，可以用于不同的应用领域。
光纤激光器的特点高能量密度光纤激光器具有高能量密度的特点，能够将大部分的输入能量转化为激光输出能量。
这意味着光纤激光器可以提供高功率的激光，适用于需要大能量密度的应用，如材料加工、激光切割和激光焊接等。
高光束质量光纤激光器的光束质量很高，具有良好的光聚焦特性。
这意味着激光束可以被聚焦到很小的尺寸，从而提高能量密度和加工效果。
高光束质量使得光纤激光器在微细加工、精确切割和高精度测量等领域具有优势。
紧凑轻便光纤激光器相对于其他类型的激光器来说，具有紧凑和轻便的特点。
由于光纤本身具有柔性和可弯曲性，光纤激光器可以设计成各种形状和尺寸，便于安装和集成到不同的设备中。
这使得光纤激光器在便携设备和移动应用中得到广泛应用。
波长多样性光纤激光器可以根据应用需求选择不同的工作波长。
通过调整掺杂物的种类和含量，可以实现不同波长的激光输出。
这使得光纤激光器在通信领域具有应用潜力，并可以适应不同介质的材料加工需求。
应用领域通信由于光纤激光器具有高光束质量和波长多样性的特点，它被广泛应用于光纤通信领域。
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中国第一台激光器（1961）
国内激光技术发展简史
激光器的第一台 He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激光 器 CO2分子激光器 研制成功时 间 1963年7月 1963年6月 1963年12月 1965年9月 研制人 邓锡铭 等 干福熹 王守武 王润文 等
激光技术发展简史之二
2 kW single-mode (IPG)
1.5 kW (Jena) 1.4 kW single-mode (ORC)
1.3 kW, M2 < 3 (Jena)
1.2 1.1 1.0 0.9
The
3rd
generation
MM
1.2 kW single-mode (ORC)
1 kW, Nd, MM
E2 hv=E2-E1 hv=E2-E1
E2 hv=E2-E1
E2 hv hv
E1
E1
E1
激光的特性及分类
激光的特性
一般通称激光的四大特性为：
方向性好 亮度高 相干性好 单色性好
激光器的分类
激光器的分类: • 按照工作方式分类
– 连续光激光器; 脉冲激光器(调Q，锁模，脉冲调制)
1985 - 英国南安普顿大学ORC采用改进的化学气相沉积 （MCVD）的方法成功地研制出单模掺稀土光纤 1988 - E. Snitzer提出双包层光纤概念
• E. Snitzer, et al., ―Double-clad, offset core Nd fiber laser,‖ Proc. Conf. Optical Fiber Sensors, Postdeadline paper PD5, 1988.
激光技术发展简史之三
• 发明了近百种不同类型的激光器件，其 发明者都有完全不同的专业背景 • 各种学科和技术应用激光并形成了许多 重要的交叉学科：如光电子学、激光光 谱学、 激光化学、非线性光学、激光全 息术、激光生物医学、 激光计量、超快 光电子学、激光加工处理...... • 形成了一系列重要技术应用领域，光电 子产业方兴未艾
Charles Hard Townes
激光发展简史 – 史上最牛激光器
1958年，Schawlow和Townes在Physics review letter上面发表论文 ―Infrared and Optical Master‖, 标志着激光作为一全新事物登上了历史舞台。 1960年，休斯实验室的梅曼（Maiman）和兰姆 （Lamb）共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红 色激光，标志着世上第一台激光器的诞生。
Niels Bohr
1917年，爱因斯坦在波尔的原子结构基础上，提出了波 尔借鉴了普朗克的量子理论提出了受激辐射理论，为激光 的出现奠定了理论的基础
该理论预言：光子和原子相互作用包含三种过程:自发辐射、受 激吸收和受激辐射；提出在物质与辐射场的相互作用中，构成 物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或 吸收，预示了有可能利用受激发射实现光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation—LASER ）
E2 hv=E2-E1
E2
E2
hv=E2-E1
hv=E2-E1
hv hv
激光发展简史 – 激光与诺贝尔奖
1947年，兰姆（Lamb）在氢原子光谱中发现了明显的 受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证，因此兰姆获 得了1955年诺贝尔物理学奖： "for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum".
1974 - Stone, J 报道了第一台半导体激光器泵浦光纤激光 器
• Stone, J., et al., Neodymium fiber lasers: room-temperature cw operation with an injection laser pump. Appl. Opt. 1 – 光泵浦；
• 灯泵 • 半导体泵浦 （侧泵 & 端泵）
• 几类特殊激光器
– 准分子激光器；
光纤激光器发展史
1960 - E. Snitzer首次通过试验研究了掺稀土元素光纤激 光器
• Snitzer, E. Proposed fiber cavities for optical lasers. J. Appl. Phys. 32:36 –39, 1961.
Alfred Kastler
激光发展简史 – 激光与诺贝尔奖
1951年，Townes提出受激辐射微波放大，即MASTER 的概念。 1952年，韦伯（F.Weber）在受激辐射讨论会上得到启 示，产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁 波的想法。他提出了微波激射器的原理。
1954年，第一台氨分子Master建成，首次实现了粒子 数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背 景辐射。TOWNES由于在受激辐射放大方面的成就而获 得1964年诺贝尔物理学奖： "for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle".
激光发展简史 – 50 年
激光发展简史 – 激光与诺贝尔奖
1900年，普朗克提出了能量量子化概念，因此获得了 1918年诺贝尔物理学奖： "in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta".
1 kW, Yb, MM (ORC)
Laser power [kW]
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
110, Yb, SM (SDL)
30W, Nd 610W, Yb SM (ORC) 485W, Nd/Yb, SM 352W, Yb, SM (ORC)
• 各种激光器的开发 • 工作物质：固体，气体，染料，化学， 离子，原子，半导体，X射线 • 输出功率：大功率，低功率 • 工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲， 连续 • 输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向 • 激光模式：多波长，单一模式
激光技术发展简史之三
• • • • 激光器在各个方面的应用 信息技术：激光通讯 检测技术：激光测距 激光加工：激光打孔、激光切割、激光 焊接 • 医学应用：矫正近视、激光整容 • 科学研究：激光核聚变
激光器应用
Stent manufacture
Micro-bending
Print/gravure
Spot welding
Welding
Marking
Micro-welding
Cutting
激光器应用
激光器应用案例 – 打印机
激光器应用案例 – 打印机
激光器应用案例– 视力矫正
激光器工作基本原理
Max Planck
1905年，爱因斯坦提出了光子假说并成功解释了光电 效应，并因此获得了1921年诺贝尔物理学奖： "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect".
• 按照波长范围分类
– 紫外光；紫光；蓝光；绿光；红光；红外；中红外，远红外... – 193nm,244nm,248nm,355nm,488nm,632nm,1064nm,1310nm, 1550nm, 2um, 10.3um„„
• 按照工作物质分类
– 气体激光器；固体激光器；液体激光器；半导体激光器；光纤激光器 – CO2激光器；Nd:YAG激光器；红宝石；HeNe激光器；光纤激光器；氩离子 激光器
1962 - 首次报道的掺镱光纤激光器
• H. W. Etzel, et al., ―Stimulated emission of infrared radiation from ytterbium -activated silicate glass,‖ Appl. Opt.,vol. 1, 196 2.
2003 - 英国南安普顿大学ORC研制出第一个超过一千瓦 单模输出的高功率光纤激光器 2007 - IPG研发出超过3千瓦单模输出的光纤激光器 2010 - JPT研发出基于MOPA结构的10W脉冲光纤激光器
SM to 10 kW? 光纤激光器 – 输出功率剧增
17 kW, Yb, MM 10 kW, Yb, MM 2 kW, Yb, MM
激光技术发展简史之三
• • • • • • • • • • • • • 1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器 ，测得的地月距离误差在几米范围内。 1971年: 激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国 籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。 1974年: 第一个超市条形码扫描器出现。 1975年: IBM投放第一台商用机光打印机。 1978年: 飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机，不过价格很高。 1982年: 第一台紧凑碟片(CD)播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy Joel 在1978年的专辑52nd Street。 1983年: 里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器 。 1988年: 北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。 1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造。 1991年: 第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。 1996年: 东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器。 2008年: 法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。 2010年: 美国国家核安全管理局(NNSA)表示，通过使用192束激光来束缚核 聚变的反应原料、氢的同位素氘(质量数2)和氚(质量数3)，解决了核聚变的一 个关键困难。