激光器件的应用和发展前景讲解

激光器件的应用和发展前景
摘要
激光器件是近年来激光领域关注的热点之一，其中光纤激光器具有绝对理想的光束质量、超高的转换效率、完全免维护、高稳定性以及体积小等优点，应用领域广泛。

国外对光纤激光器的研究不断有新进展，光纤激光器单模输出功率最高可达3kW。

国内的科研单位在发展高功率光纤激光器方面，急起直追的攻克大功率光纤激光器的关键技术。

本文简要阐述了光纤激光器件的结构和原理，主要阐述了其在通信、军事、国防、销毁弹药、微材料处理、造船业岩石及泥土材料处理、焊接、标刻、材料处理、材料、弯曲、激光切割、医疗、石油及航天等行业的应用，对光纤激光器件的发展做了回顾，并展望了光纤激光器件在新领域的应用前景，随着相关技术的完善，光纤激光器将向更广阔的领域发展，并有可能成为替代固体激光器和半导体激光器的新一代光源, 形成一个新兴的产业。

关键词：光纤激光器；掺杂光纤；输出功率
Abstract
In recent years, laser device is one of the hot areas of concern, which is absolutely ideal for fiber laser with the beam quality, ultra-high conversion efficiency, totally maintenance-free, high stability, as well as the advantages of small size and wide range of applications. Overseas research on fiber lasers, there have been new progress in
single-mode fiber laser output power up to 3kw.China's scientific research units in the development of high power fiber lasers, the catch up in the capture of key high-power fiber laser technology. This paper described the structure of fiber-optic laser device and the principle of its major in communications, military, national defense, the destruction of munitions, micro material processing, shipbuilding rock and soil material handling, welding, marking, materials processing, materials, bending, laser cutting, health care, oil and aerospace industries, such
as application of the development of fiber-optic laser device has done a review and prospect of a fiber laser device applications in the new prospects, with the improvement of technology, fiber lasers will be a broader the field of development and has the potential to become an alternative solid-state laser and a new generation of semiconductor laser light source, the formation of a new industry.
Key words: fiber laser; doped fiber; output power
目录
摘要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 国内外的研究进展 1
1.2.1 国外研究进展 1
1.2.2 国内研究进展 2
1.3 本文主要研究内容 3
第二章光纤激光器的结构及工作原理 4
2.1 光纤激光器的结构 4
2.2 光纤激光器的工作原理 4
第三章光纤激光器件的应用 6
3.1引言 6
3.2 光纤激光器件的应用 6
3.2.1 光纤激光器在通信中的应用 6
3.2.2光纤激光器在军事中的应用 7
3.2.2.1 光纤激光器件在国防中的应用 7
3.2.2.2 光纤激光器件在销毁弹药中的应用 8
3.2.3光纤激光器在制造业的应用 10
3.2.3.1光纤激光器件在微材料处理方面的应用 10
3.2.3.2 光纤激光器件在造船业上的应用 11
3.2.4光纤激光器在材料加工上的应用 12
3.2.
4.1岩石及泥土材料处理的应用 12
3.2.
4.2 焊接的应用 12
3.2.
4.3标刻应用 13
3.2.
4.4 材料处理的应用 13
3.2.
4.5 材料弯曲的应用 14
3.2.
4.6 激光切割的应用 14
3.2.5光纤激光器在医疗中的应用 15
3.2.6 光纤激光器在石油及航天等领域中的应用 15
第四章光纤激光器的发展现状 16
4.1国外的发展现状 16
4.2 国内的发展现状 17
第五章激光器件的发展前景 19
结论 20
参考文献 21
致谢 23
第一章绪论
1.1课题背景
目前激光器的种类很多，如按激光器工作物质性质分类，可分为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器等，光纤激光器是近年来激光领域关注的热点之一，光纤激光器与传统固体激光器相比具有转换效率高、光束质量好、散热方便等优势，是国际上激光技术研发领域的最大热点之一。

近几年来,随着单根光纤输出功率的不断提高，高功率光纤激光器的应用前景更为看好，并已在光通信、军事、制造业、材料加工和处理、医学、石油及航天等领域得到迅速的应用，呈现出逐步替代现有传统高功率激光器的趋势。

1.2 国内外的研究进展
1.2.1 国外研究进展
自1988年E.Snitzer等人提出双包层光纤概念之后，基于这种包层泵浦技术的光纤激光器，国际上在1999年以前便实现了110W的单模连续激光输出。

到2003年前后,由于大规模（LMA）光纤技术和高功率泵浦源技术的发展，单根光纤激光器的连续输出功率得以从百瓦量级向千瓦量级发展。

国际上率先在这方面做出贡献的科研机构包括:Southampton大学、Michigan大学、Tokyo大学和Friedrich Schiller 大学(Jena研究小组等。

英国在2003年8月制成1kW的光纤激光器，并于2004年12月研制成功1.36kW连续光纤激光器，并预言通过对掺杂光纤更先进的设计和采用更高功率的泵浦源，单根光纤的输出功率可能高达近万瓦。

该激光器采用双端泵浦12m长的双包层光纤，采用两个975nm模块的泵浦源，总泵浦功率为1.8kW，斜率效率为83%，输出激光波长在1.1μm。

光束质量因子，光束质量接近衍射极限。

美国公司早在1999年制成的各种光纤激光器，其输出功率为200W至
1.5kW，至2003年可提供的工业级市售产品：掺Yb光纤激光器产品包括200W单模输出和10kW多模输出；掺Er(铒光纤激光器产品有单模输出高达100W，多模输出高达2kW。

2005年美国在实验室中获得掺Yb光纤激光器连续激光输出约
2kW。

2006年12月光纤激光器单模输出功率最高可3达3kW。

1.2.2 国内研究进展
近年来，许多国内的科研单位在发展高功率光纤激光器方面，急起直追的攻克大功率光纤激光器的关键技术。

最近,采用最新研制的大模面积双包层光纤,单根光纤获得了916W的激光输出。

2006年，清华大学精密仪器系光子与电子学研究中心，采用烽火通信提供的新型掺Yb双包层光纤(直径600μm，D形内包层,在光纤的两个端面作高精度抛光处理，利用其中一个光纤端面的菲涅耳反射作为输出腔镜，一个对激光波长高反的镜片作为另一个腔镜构成谐振腔，并通过45°双色片将产生的激光导出。

通过特殊设计的温控热沉对光纤端部散热，以防止光纤端面损坏。

目前，超过千瓦级单根光纤激光器的国内研制单位有两家，即中国电子科技集团公司第十一研究所和中国兵器装备研究院。

2006年8月，中国电子科技集团公司第十一研究所研制成功的高功率光纤激光器，输出功率高达1207W。

近两年，国内还有不少单位在发展高功率光纤激光器方面取得进展，如北京交通大学光波所研制的大功率包层泵浦光纤激光器，采用端面泵浦技术，当泵浦功率240W时,光纤激光器在1.09μm处产生了高质量的196W连续输出，获得了85%的斜率效率。

南开大学物理学院光电信息科学系在光纤激光器的实验研究中，采用了12m长的LMA掺Yb3+双包层光纤，研究了在连续泵浦和脉冲泵浦两种情况下这种光纤激光器的输出特性。

中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学技术国家重点实验室,对一种改进的F-P腔结构的高功率掺Yb3+双包层光纤激光器所做的实验表明，该结构系统与传统F-P腔结构掺Yb3+双包层光纤激光器相比，其光-光转换效率没有明显区别，而抗高功率热损伤有明显提高。

该实验用的增益光纤为加拿大产D形掺Yb3+双包层光纤(长1.8m,芯径为20μm,NA为0.14,D形内包层为250μm/217μm 。

1.3 本文主要研究内容
本文简要介绍了光纤激光器件的结构和原理，主要阐述了光纤激光器件在通信、军事、制造业、医疗、石油及航天上应用，分析了国内外光纤激光器件的研究进展。

对光纤激光器件的发展前景做了科学的展望。

第二章光纤激光器的结构及工作原理
2.1 光纤激光器的结构
图1为典型的光纤激光器的基本构型。

增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间，从而构成F-P谐振器。

泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中，激射输出光从第2个反射镜输出来[1]。

2.2 光纤激光器的工作原理
当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。

从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。

其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可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。

泵浦(短波长高能光子使电子从基态跃迁到高能态E44或者E33，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E34或者E23，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E42或者E31时，就会出现激光的过程。

第三章光纤激光器件的应用
3.1引言
从1963 年发明光纤激光器到20世纪80年代末第1批商用光纤激光器面市，光纤激光器经历了20多年的发展历程。

随着激光二极管泵浦技术以及光纤材料和工艺研究的进展，适于各种不同应用目的的光纤激光器纷纷面世。

光纤激光器具有激光阈值低、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、体积小等独特优点，是一种很有希望的便携式小型化激光光源,因此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面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。

在光通信中，类似于光环路镜的非光纤激光器技术得到了发展。

近年来，光纤激光器的输出功率得到迅速提升，作为工业用激光器，现已成为输出功率最高的CO2激光器。

日本根据工业应用的需要提出了自主创新，并在世界上首次成功研制的光纤盘形激光器(研制出输出功率超1kW。

此后,在欧洲也掀起了研究光纤激光器的热潮。

当单模输出功率超过千瓦时，引起了美国政府，并投入国防预算。

本文主要介绍光纤激光器件的应用领域及其发展前景。

3.2 光纤激光器件的应用
3.2.1 光纤激光器在通信中的应用
在光通信领域，采用布喇格光栅作为腔反馈和模式选择的掺铒光纤激光器比较容易实现单模、单频和低噪声，并被应用于光通信和光传感系统中，特别是可应用于密集波分复用（DWDM）通信和光孤子通信中。

如外调制的掺铒光纤激光器在1996 年就能提供传输距离654km，速率为2.5Gb/s的信号与DBF半导体激光器性能类同，但后者难已实现波长特定。

刘颂豪院士认为，光纤光孤子激光器、光纤放大器和光孤子开关是三项使孤子通信走向实用化的主要技术。

光孤子通信传输距离可达百万公里，传输速率高达20Gb/s，实现了无差错通信[2]。

3.2.2光纤激光器在军事中的应用
激光技术的发展使许多具有重大应用背景项目成为可能。

实际上，多束光纤激光并联组合的捆扎式技术在提高激光能量的同时，光束质量有所变差，但相对于气体或其它固体激光系统，仍具有非常显著的优点。

通过采用光纤激光组合相干的方法，可望获得高功率的相干激光输出。

曾经，美国鼓励支持开展光纤激光的相干叠加研究，并希望在2003 年获得1kW，2007年获得100kW 的相干激光输出。

这种高能光纤激光系统的实现，可望取代空军在机上的现役化学激光器，或作为地基防空武器，消灭地平线以上范围的空中一切目标，如拦截飞机，击落短程火箭、弹道导弹、巡航导弹及打击天基武器。

高功率光纤激光系统还是激光武器理想的信标光源。

高能激光武器的发射系统中，为测得并补偿激光大气传输时，受到的湍流等影响，需要瞄准、跟踪用的波长为530 nm 、平均功率为100 W的信标激光。

信标激光在目标处聚焦为一更优越的新型激光器。

综上所述，同其他高功率激光系统相比，双包层光纤激光器无论在效率、体积、冷却和光束质量等方面，均有明显的优势，已被广泛应用于汽车、医疗、半导体、通信等工业上,全球销售额已高达几十亿美元。

在国防军事领域也有广阔的应用前景。

3.2.2.1 光纤激光器件在国防中的应用
高能光纤激光系统应用于战斗机机载激光武器。

美国《每日宇航》2002年6月6日报道，美空军研究实验室(AFRL 定向能源与洛克希德. 马丁公司在2002年5月31签定合作意向书，研究“空对空激光武器装备于联合攻击战斗机”的可能性。

方案一为采用氧碘激光器(COIL，已安装在波音747上进行验证实验；方案二为多功能激光器,在激光测距、激光目标指示器、激光制导、光电对抗、激光有源干扰、激光雷达等方面都有重要应用。

20世纪90年代中期,美国、日本、德国提出开展军用多功能激光器研制[3]。

同其他高功率激光系统相比，双包层光纤激光器无论在效率、体积、冷却和光束质量等方面，均有明显的优势，已被广泛应用于汽车、医疗、半导体、通信等工业上，全球销售额已高达几十亿美元。

在国防军事领域也有广阔的应用前景。

海军装备中，高能光纤激光器应用在对潜通信、探测/探雷、测深、水下传感装、海基
光控武器系统中真正可控制的武器，使反舰导弹作用无效。

其在海上使用性能可靠，用于替代化学激光器，从而不必在舰船上存放高危化学物品。

3.2.2.2 光纤激光器件在销毁弹药中的应用
在未爆弹药中，以地雷为例，在取得明显作战效果的同时，地雷对平民的伤害也日趋严重极大地阻碍了战后重建与经济发展。

有关资料显示，目前，世界上仍有55个国家生产各种地雷，其种类有300多种，年产量1000万枚以上。

全球有68个国家埋有近1 亿枚未清除的地雷及其他爆炸物，现在世界上每月有2000人死于地雷爆炸，每年约有2～2.6万人因触雷而丧生，地雷已使25万人以上致残。

因此，地雷受害国与国际社会要求限制使用地雷彻底清除“地雷污染”。

联合国国际人道主义维和扫雷行动也正是在这种背景下产生的。

普通的扫雷方法有：人工扫雷、扫雷磙、犁扫和爆扫以及机器人扫雷。

目前，世界各主要军事强国都开发了各种各样的专用扫雷车，这些扫雷车主要是利用锤打地表或触动地表，诱发地雷爆炸来实现排雷。

这些专用扫雷车就像农夫犁地式地在雷场上走一遍，就可基本清除常规的防步兵地雷，它已成为军用排雷的重要手段之一。

但这种扫雷车能耗大、扫雷成本高、价格昂贵。

国际人道主义维和扫雷往往是在一个很大的区域内进行，不可能大面积没有目标地随意"锤打地表"。

而且在现实生活中，许多地雷是布设在隘口和地形不规则地区，专用扫雷车很难直接到达。

炸药爆炸有燃烧和爆轰两种典型形式。

燃烧相对于爆轰，反映比较缓慢且不伴有任何显著的声效应，但在有限容积内燃烧进行较为强烈，此时压力上升较快，并且气态燃烧物能产生一定的抛射功；而爆轰则是以爆轰波形式高速传播的现象，爆轰产物会急剧冲击周围介质。

对于炸药达到爆轰有一定的温度条件，此温度为炸药爆发点。

对于常用的TNT 炸药，其5 s 爆发点为475 ℃。

利用激光照射地雷，使其表面的非金属材料熔穿，当壳内炸药温度达到300 ℃时，雷壳内的炸药开始燃烧，但并不产生炸药爆炸，燃烧产生的气体最终导致轻微爆炸。

目前较为成熟的激光扫雷系统为美国开发的“宙斯”激光排雷系统。

已经装备部队，并应用于实际军事行动中，其研究历史如下：
1986 年开始立项分析；1987 年建立了一套实验室内的30 kW CO2激光排雷系统； 1991 年分别进行了Nd:YAG 激光器(0.3 kW和 CO2激光器(0.8 kW排雷系统的演示；1994 年研制成功第一代激光排雷系统，激光器选用了灯泵的Nd:YAG 激光器；1999年升级为第二代产品，激光器选用 LD 抽运的0.5 kW Nd:YAG 激光器；2004 年第三次对系统进行了更新升级。

新的激光器选用了2000W多模光纤激光器，在阿富汗成功执行了扫雷任务，其在恶劣的环境下(高温、震动、灰尘稳定的表现得到美国军方一致的赞扬。

达到探雷扫雷一体化一直是工程兵追求的目标，但目前我军的扫雷方式主要还是探雷、扫雷分步进行。

主要的探测手段有：合成孔径雷达、红外探雷。

在扫雷方面目前主要的扫雷手段有：犁扫、爆扫、磁扫，正在开发的有微波扫雷。

探雷手段我们较为先进，但尚未实现一种安全、快速的扫雷方式，以达到探测毁伤一体化。

目前关注的快速扫雷方式有：激光、微波、高压水扫[4]。

国内已经对微波扫雷进行了型号研制，但微波扫雷只适用于电子引信地雷，对于机械式引信则无能为力。

而激光扫雷则可对各种地雷进行有效、安全、快速排除。

目前较为常用的扫雷方式为“爆扫”，但这种扫雷方式对周围环境破坏较为严重，对于机场、道路、重要设施等一些特殊环境尤为不适用，同时人工扫雷则对人员构成了很大的威胁，而激光扫雷的一些特殊优点则可以满足这类需求。

国内对于扫雷的研究以工程兵第一研究所实力较强，据了解，工程兵研究所曾经和中科院上海光机所合作进行过初步探索，但由于所利用的二氧化碳激光器过于庞大，而无法进行工程化应用而最终放弃。

而光纤激光器与传统激光器相比有比较明显的优势，如：更高的功率密度、体积小、重量轻、电光转换效率高、光束质量好，且可以连续工作、高可靠性和长寿命，适装性强；光纤激光器更能适应战场中恶劣环境的需求，对车载、机载、舰载以及便携式激光武器装备系统显得尤为重要。

因此，研究组对光纤激光器进行了适用于车载销毁弹药系统工程化的研究。

利用光纤激光器进行激光销毁弹药的可行性得到了验证，试验获得了圆满成功，于30m距离处，利用300W的光纤激光在平均20s时间内实现了对混合装药试验雷的点燃。

为了进行车载野外场地真实地雷和弹药销毁的试验，目前正在对千瓦样机进行小型化和各分系统的改进设计，尤其对发射天线重新设计，以满足照射100m 左右的地雷和未爆弹药试验，为第二阶段试验做准备。

激光扫雷虽然有许多优点，但受天气的影响较大，如在雨天，激光将被雨水大量吸收、散射，扫雷距离大为缩短。

3.2.3光纤激光器在制造业的应用
3.2.3.1光纤激光器件在微材料处理方面的应用
光纤激光器是紧凑的气冷式即插即用器件，适于任何生产线，多年不用更换, 这进一步从经济角度证明了它的吸引力[5]。

光纤激光器将成为许多微材料加工应用中的首选工具，因为它兼具效率和可靠性。

其性能使它成为高效生产小型组件的供选方案，取代那些难于持续增长的加工方法。

光纤激光器具有光束质量好和输出功率稳定性高的特点，因10～100W级的小型单模光纤激光器在工业领域的应用价值较高。

从理论上解释，单模光纤发出的激光应是点光源,如果充分利用光学系统，则可用理论极限的光斑直径进行微细加工。

利用这种高质量光束很容易实现掩模、微细焊接和微细加工等，并可在形状记忆合金上加工复杂网格制成冠脉支架等。

传统的固体激光器以晶体棒作激活介质，光纤激光器则使用掺稀土激发材料的双包层光纤，用单高功率激光二极管抽运。

光纤激光器的结构使其不怕对准误差和
沾污。

因其高转换效率和极低损耗，光纤激光器作为非常紧凑、高度可靠的气冷式激光器出现。

大批量生产小型部件的公司发现光纤激光器在完成特定加工任务时是一种极好的工具，这些任务包括小尺寸挠曲、钎焊、焊接以及薄金属和塑料制品打标，原来的激光和非激光工艺已被淘汰。

光纤激光器在光刻艺术领域有着极好的性能和可靠性, 因而为上述材料加工应用所接受。

一家重要的硬盘驱动器制造商及其子公司用光纤激光精密挠曲磁舌上的小磁记录头，以达到近距离硬盘读写所需的飞行性能。

以往的大记录头抛光技术已证明越来越难于适应新的小型读写头规格。

生产商寻找到在新的小型记录头中制造更精确、可再现程度更高的挠曲办法。

高度聚焦激光束不仅能准确供应精密弯曲所需的能量，还因其与部件无实体接触而使不希望的变形减至最小。

其他好处还有：没有现有制造工艺中的磨损部件或消耗品，需要的操作人员少。

这样可节省原材料和劳力开支。

许多系统连续全天候运转。

同样值得注意的是，最初用二极管抽运固体激光器试验这种工艺，光纤激光器因其更高的光束质量和功率稳定性才赢得自己的位置。

这使挠曲过程中的控制和可重复性更高[6]。

另外，光纤激光技术效率更高，更耐用。

一家生产小型光学元件的厂商用光纤激光器选择性地将独立零件重钎焊到宽300Lm 的焊盘上。

由于这些零件比以前的小，钎焊芯铁尺寸较成问题，使用者无法在不影响邻近焊缝和其他热敏零件的前提下精确传送所需能量。

光纤激光器能容易地在离激光系统输出透镜5cm以外的地方形成300 Lm的光斑。

为完善钎焊工艺，采取了脉冲整形的变更方法，这在芯铁钎焊技术中不可能实现。

光纤激光器在小尺寸元件的微焊方面给人以很大希望。

德国夫琅和费激光技术研究所的一个项目名为“微组件的清洁低变形精密焊接”。

来自5个欧洲国家的12名合作者组成交叉学科研究组，共同完成课题目标。

目前的焊接技术在小型部件(如手表中的齿冠、齿链、转子中留下不希望的碎片和变形。

光纤激光器高质量、良好聚焦的连续波光束产生的碎片和热机械变形最少。

目标是低变形(位置变形≤015 Lm, 角度变形≤1 mrad 工业标准微焊接工艺，总装配时间(包括再加工和试验为2 s。

在处理电路片和连线上仅有模制化合物薄层的零件时，这一特征尤为重要。

光纤激光器在光刻艺术工业中用作成像工具已有几年时间，取得极大成功，可靠性突出。

宝丽来光刻成像公司在其四色预压试验系统中用光纤激光器作打印马达。

另一主要光刻艺术设备供应商购买了一台热计算机-打印成像系统，该系统用光纤激光曝光用于高分辨打印的热印版。

过去4年已安装1000多台光纤激光系统，在此基础上该领域的成果表明光纤激光器是一种非常可靠的工具。

以前使用的闪光灯和二极管抽运固体激光输出有着先天的不稳定性和低品质光束质量，经改进正获得无赝像的优良图像质量。

光纤激光器在连续全天运转的工作环境中估计寿命超过15000小时。

而多数激光系统都需要日常维护。

闪光灯抽运系统，每500 ～ 1000小时就需更换抽运灯；二极管抽运固体激光器也需一年左右更换一次昂贵的二极管条。

两种情况下由于开式谐振腔结构需中断保养以维持最佳工作状态，产生对准和沾污问题。

光纤激光器是紧凑的气冷式即插即用器件，适于任何生产线，多年不用更换，这进一步从经济角度证明了它的吸引力。

总之，光纤激光器将成为许多微材料加工应用中的首选工具，。