双包层光纤激光器技术

双包层光纤激光器技术
报告内容
1.简要介绍双包层光纤激光器 2.光纤激光器的基本结构及特点 3.光纤激光器的能量应用 4.光纤激光器的在激光技术领域的应用
2 光纤激光器的基本结构及特点
光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基 本相同，光纤激光器是由增益介质(即掺杂光 纤)、谐振腔和泵浦源三部分组成
高功率光纤激光器与其它光源的性能比较
应用前景
由于光纤激光器的优良性能，决定了它比半导体激光器和 大型激光器(如各种体积庞大的、普通激光加工和打标使 用的CO2和YAG激光器)拥有更多的优势，不仅在光纤通信 领域中越来越占有很重要的地位，还在激光技术领域中成 为目前研究的最为活跃的激光光源之一，其中高功率双包 层掺杂光纤激光器是近几年研发的热点。如果在先进加工 产业中采用光纤激光器，许多大型的激光加工设备包括切 割、焊接、热处理以至激光打标、激光雕刻、精密打孔、 激光医疗器械等设备和仪器都可以制成重量和体积较小的 设备或者便携式的灵巧系统。因而新型高功率光纤激光器 将会引起激光科技人员和企业工程技术人员的极大关注， 它已初露锋芒地展现出一个美好的应用前景。这种新型的 高效率、长寿命、小体积、大功率光纤激光器所具有的非 常广阔的潜在市场，有可能形成一个新型的产业．
激光材料加工应用范围和所需光纤激光器性能
谢 谢！
双包层激光器结构
当前，应用最多的仍然是内包层为矩形的 掺镱双包层石英光纤，如美国加州圣何塞 光谱二极管实验室的双包层光纤激光器， 其连续输出功率＞110W，光光转换效率 达58.3％。其实验装置如下图所示。 58.3 主要参数为：发射波长1120nm，最大输 出功率110W，光束质量：从为1.1～1.7， 包层光纤为170 ×330矩形内包层，单模 纤芯直径为9.2。
耦合时LD输入功率的入射角大约在10～ 40°之间变化。如果用10个输出功率 20w的LD均匀分布在光纤盘的外边缘， 则被吸收的泵浦功率的三维和径向分布如 图。图为得到归一化的泵浦分布。根据分 析结果，建议入射角小于。因为超过了， 高功率泵浦区域会向圆盘外侧转移，盘内 侧区域将不能被泵浦。
斜入射时不同角度对泵浦的影响
任意形状激光器结构
盘状、片状、圆柱状、环状及棒状等不同结构如图
盘形光纤激光器的结构原理
以平面状的结构为例，它用折射率与纤维包层相同 的材料嵌入光纤的间隙，表面作成光学表面，使泵 浦光在盘内全反射。
泵浦光 掺杂光纤
圆盘主体结构
低折射率层
盘形光纤激光器的结构
盘形光纤激光器主要是由一根去掉外包层和保护 层的低损耗双包层光纤紧密地环绕而成，形状类 似一个圆盘，在光纤盘的边缘放置若干个条形LD 泵浦，光纤的上下表面用金属板约束泵浦光，同 时冷却光纤。
3 光纤激光器的能量应用
(1)双包层光纤激光器 a.双包层光纤 b.包层泵浦技术原理 (2)任意形状光纤激光器 a.激光器结构和特点 b.激光器耦合方式
(1)双包层光纤激光器
a.双包层光纤
双包层掺杂光纤的构 形如图所示。 双包层掺杂光纤由纤 芯、内包层、外包层 和保护层四个层次组 成。
a.双包层光纤
10° ° 20° ° 30° ° 40° °
1LD
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱLD
4.光纤激光器的在激光技术领域的应用
光纤激光器在光纤通信领域有重要的应用，而且正在迅速 地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。为了满足光纤通 信、激光加工、激光医疗等领域快速增长的市场需求，美 国、西欧、日本和我国纷纷加大光纤激光器的研发力度。 尤其最近，引起国际关注的美国IPG光电公司已推出掺 Yb3+高功率光纤激光器系列，如2002年5月获得2kW功 率输出，同年8月获4kW、11月获10kW功率输出，此后 还可能开发出更大功率输出、更多应用范围的光纤激光器 问世。 这类光纤激光器的优点是：高插头效率(高达20％)；泵浦 二极管寿命长(约十万小时以上)；无须机械稳定；可在各 种不同的外界条件下使用、省电；安全的空气冷却。这些 优点使得它在激光技术领域中呈现出美好的应用前景．
LD
耦合光学系统 工作物质 (增益光纤) 准直光学系统
泵浦源 谐振腔
光纤激光器的基本结构
光纤激光器是波导式结构，可传导强泵浦、 有高增益(单程增益达50dB) ，稀土元素在 玻璃基质中有较宽的线宽和调谐范围(Yb3+ 为125nm、Tm3+＞300nm )
具体特点如下：
(1) 光纤作为导波介质，其耦合效率高，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、低激光阈值、输出光束质量好和线宽窄等特 点。 (2)由于光纤具有很高的“表面积／体积”比，散热效果好，环境温 度允许在-20～+70℃之间，无需庞大的水冷系统，只需要简单的 风冷即可。 (3)可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘 的条件下皆可正常运转。 (4)由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、外 形紧凑体积小，易于系统集成，性能价格比高。 (5)具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得环。例如在双包层光 纤的两端直接刻写波长和透过率合适的布拉格光纤光栅来代替由镜 面反射构成的谐振腔。全光纤拉曼激光器是由一种单向光纤环即环 形波导腔构成，腔内的信号是被泵浦光直接放大，而不是通过粒子 数反转。
a.盘形光纤激光器特点
（2）特殊的泵浦耦合方式 采用端泵，光纤对泵光的吸收率比较高，由 于内包层和纤芯的截面积很小，限制了光纤 的泵光功率，如果功率密度过高，有烧坏光 纤的可能。 侧向泵浦方式降低了泵光的功率密度，可以 避免这种问题出现。
侧向泵浦方式
盘形包层光纤激光器
盘形激光器结构示意图
通常，由于纤芯的面积非常小，所以侧泵时 光纤对泵浦功率的吸收效率很低。盘形激光 器采用了特殊设计的侧泵方式，在光纤盘的 周边放置若干个条形LD，对去掉外包层和保 护层并环绕成盘状的光纤进行泵浦，使泵光 能够在照射的区域同时作用于所有纤芯，大 大提高了有效吸收系数。盘形光纤的上下表 面用金属板约束泵光，最终达到了kW以上的 输出功率。
光纤盘外侧的条形LD还可以斜入射构成环形泵浦 方式，使泵光在盘内循环传输，最后被工作物质 纤芯充分吸收。
预先用光路追迹法对盘内泵光光束的传输 进行了数值分析能够更好理解盘形光纤激 光器的吸收性质，优化泵浦条件。以如下 参数为例分析：光纤总长度600m，纤芯 处吸收系数170dB/km，泵光波长 808nm，盘的内直径100mm，LD线宽 5mm。则总圈数为970，盘外直径为 29.4 cm。
泵浦方式
为了提高光纤激光器 的输出功率，需采用 多组多模的半导体二 极管泵浦。其基本结 构如图所示
b.包层泵浦技术原理
双包层掺杂光纤激光器利用包层泵浦技术，使输 出功率获得很大提高，成为激光器又一研究热点。 包层泵浦技术利用的双包层光纤，其纤芯采用相 应激光波长的单模稀土掺杂光纤，大直径的内包 层对泵浦波长是多模的，外包层采用低折射率材 料，内包层的形状和直径能够与高功率激光二极 管有效地耦合。稀土离子吸收多模泵浦光并辐射 出单模激光，使高功率、低亮度激光二极管泵浦 激光转换成接近衍射极限的强激光输出。
不同结构的双包层光纤
为了增加泵浦吸收率，又发展到采用D形、方形 和矩形内包层等不同形状
几种内包层形状的设计原理
为了获得高功率运转，内包层的数值孔径 应足够高，横截面积和纤芯之比应足够大。 由于圆形内包层存在大量螺旋光，纤芯吸 收率很低(仅10％)，而偏心形内包层则有 50％的螺旋光，对于D形内包层，螺旋光 约13％，而矩形内包层光纤经过多次反射 后纤芯吸收率可高达92％。所以，优化内 包层的边界形状是提高对泵浦光吸收效率 的有效途径。
实验装置
(2)任意形状光纤激光器
双包层泵浦技术虽取得良好的效果，但由 于受包层截面积的限制，影响泵浦功率的 进一步提高。 日本植田教授提出了“任意形状激光 器”(不同光纤结构的光纤激光器)方案。
任意形状激光器结构方案
该方案以掺杂光纤构成圆盘状或圆柱状等 不同的光纤介质，泵浦光从边缘注入，这 样泵浦光的耦合能够利用的面积比纤芯端 面和包层端面大得多，这种“任意形状” 的光纤激光器可望实现高的连续激光输出。
内包层的作用：
包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内； 作为波导对耦合到内包层泵浦光多模传输，使之 在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模 纤芯而被其吸收
纤芯的作用：
吸收进入的泵浦光，辐射激光限制在纤芯内； 作为波导，激光限制在纤芯内传输，控制模式
内包层形状
在双包层结构中，泵浦光的吸收率与内包层的几 何形状和纤芯在包层结构中的位置有关。此外， 泵浦光被掺杂稀土离子的吸收率正比于内包层和 外包层的面积比。 图中为圆形和星形的内包层光纤横剖面示意图
盘形光纤激光器的特点
（1）特殊的双包层光纤
这种激光器选用了低损耗的双包层光纤。由光纤激 光器的饱和放大的基本公式可以得出结论高功率激 光器需要低损耗的增益介质。光纤的传输损耗因子 由掺杂浓度决定，低于10ppm/km，所以传输损 耗非常小，基本不用考虑传输损耗。由于掺杂元素 的浓度的高低同时影响对泵浦吸收率大小，从而影 响转换效率和输出激光功率的大小。