光纤激光器简介 PPT课件
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在工业领域，可用于激光打标、激光焊接、激光切割等。
谢谢！
光纤激光器的特点
1.光束质量好，具有非常好的单色性、方向性和稳定性。 2.成本低。硅光纤的工艺现在已经非常成熟，并使用相对廉价的半导 体激光二极管作为泵浦源，降低了成本。 3.转换效率高。光纤既是激光增益介质又是光的导波介质，因此泵浦 光的耦合效率非常高；纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，加上光纤 激光器能方便地延长增益长度，使泵浦光充分吸收，转换效率较高。 4.输出波长多，调谐方便。作为激光介质的掺杂光纤，稀土离子拥有 极为丰富的能级结构，能级跃迁覆盖了从紫外到红外很宽的波段，可实 现激光振荡的跃迁能级很多。由于稀土离子能级宽加上玻璃光纤的荧光 谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器，调谐范 围宽。
5.温度稳定性好。基质材料是SiO2，具有极好的温度稳定性；而且光 纤结构具有较高的面积－体积比，所以其散热效果很好。
6.结构简单，小型化。由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸，容易耦合 到系统中，采用光纤光栅、耦合器等光纤元件极大地简化了激光器的设 计和制作，加上光纤极好的柔韧性，可设计得小巧灵活。
7.谐振腔内无光学镜片，腔镜可直接制作在光纤截面上，或采用光纤 耦合器方式构成谐振腔，具有免调节、免维护、高稳定性的优点。
光纤激光器的分类
分类依据
光纤激光器
谐振腔的结 F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形
构
腔DBR光纤激光器、DFB光纤激光器
光纤结构
单包层光纤激光器、双包层光纤激光器
增益介质 工作机制
稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶 光纤激光器、塑料光纤激光器
上转换光纤激光器、下转换光纤激光器
掺杂元素 输出波长 输出激光
钕（Nd）、铒（Er）、镱（Yb） 、铥（Tm）、镨（Pr） 钬（Ho）等15种 S波段（1280-1350nm）、C波段（1525-1565nm）、L波段
（1565-1620nm） 脉冲激光器、连续激光器
光纤激光器的基本理论
• 光纤激光器的基本结构
腔镜
腔镜
泵浦光
掺杂光纤
高能态 亚稳态
1350nm
444III111513///222 4I9/2
下能级
钕离子（Nd3+）能级结构
3.上转换能级的结构
可见光波段激光的产生源于上转换过程。频率上转换是指来自同一 （或不同）泵浦激光器的多个光子被掺杂离子同时吸收，该离子跃迁到 能极差大于单个泵浦光子能量的能级上，使得激光器的工作频率高于泵 浦光频率的过程。
B）将腔镜直接镀在抛光后的光纤端面上。缺陷：面反射镜要求光纤端面抛 光性能好，没有细微缺陷；高功率密度的泵浦光透过端面腔镜，会对腔镜的绝缘 镀层损坏，降低激光器的性能。
为了避免泵浦光对腔镜的损坏： 1）用波分复用耦合器直接将泵浦光耦合进入腔内； 2）用光纤Bragg光栅(FBG)代替腔镜，将FBG直接刻在腔内的光纤上或
输出激光
激光产生的条件：形成粒子数反转，提供光反馈，满足激光振荡的 阈值条件。
激光器一般由三部分组成：激光工作物质（掺杂光纤）、泵浦源 （半导体激光二极管）、光学谐振腔（线形腔、环形腔等）。
掺杂离子的能级结构
1. 三能级系统的能级结构
4I1ห้องสมุดไป่ตู้/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
光纤激光器：指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益 介质的激光器，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。
光纤激光器的发展
激光器 问世不久，美国光学公司（American optical corporation）的 Snitzer 和Koester分别于1963年和1964年首先提出光纤激光器和放大器的构 思。1966年高锟和Hockham 提出了光纤通信的基本概念。1970年后光纤通 信经历研究开发阶段（1966-1976），实用化阶段（1977-1986）。1986年以 后迅速进入大规模光纤通信建设阶段。随着光通信的迅猛发展，光纤制造 工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟，为光纤激光器和放大器的发展奠 定基础。英国的南安普敦大学和通讯研究实验室、德国汉堡技术大学、美 国的Polaroid Corporation、Bell实验室，日本的NTT、Hoya均在光纤激光器 研究中取得许多重要成果。近年来，美国IPG Photonics公司异军突起，展 示S、C、L Bands 的各种光纤放大器，高功率的EDFA，Raman光纤激光器 和双波长Raman光纤激光器，并推出各种商用掺Yb高功率光纤激光器，最 大功率达1万瓦；单模输出功率高达1000W,光束质量非常好。
简单的光纤环形谐振腔结构
ISO PC
Doped fiber
WDM
pump output
环形腔光纤激光器结构图
波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接着 掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺 杂 光 纤 为 非 保 偏 的 普 通 光 纤 ， 还 需 要 使 用 偏 振 控 制 器 （ PC ： Polarization Controller）。
光纤圈谐振腔，与环形谐振腔结 构类似，基于定向耦合器。不同的是 进入光纤圈的光波可以通过另一端输 出，还可以再次通过输入端输出，成 为向后传播的光波，这两种波分别为 透射波和反射波。这个装置本质上来 说是一个干涉仪。
两个光纤圈串联的激光器结构
光纤激光器的谐振腔结构还有“8”字形腔、Fox-Smith谐振腔及一 些输出可调谐振腔等。
1480nm 泵浦
4I15/2
基态
铒离子（Er3+）能级结构
2. 四能级系统的能级结构
4G7/2
激发态吸收是指处于上能级的粒 子吸收泵浦能量向更高能级跃迁 的过程，是一种能量的无效损耗， 降低泵浦效率。
激发态吸收 1330nm
4F5/2 4F3/2
800nm 泵浦
无辐射跃迁
920nm 1060nm
1G4 1060nm泵浦
480nm
3F2
3H4 1060nm泵浦 3H5
3F4 1060nm泵浦
3H6 铥离子（Tm3+）上转换能级图
光纤激光器的谐振腔结构
1.线形腔
M1
M1全反
M2 部 分
M2
反射
泵浦光
掺杂光纤
输出激光
A）腔镜在光纤端面耦合。要求：1）腔镜紧密地贴近光纤端面 ，从而避免 散射损耗。2）高精度地调整光纤或腔镜的相对位置，因为只要光纤端面或腔镜 稍有倾斜，损耗就会迅速增大，给调整带来困难。
pump laser PC
EDF 980/1550 nm
WDM
ISO
coupler
波长选 择器件
filter
output
环形腔掺铒光纤激光器结构图
3.其它腔型结构
光纤圈反射器（光纤环形镜），结 构如下图所示，包含一个定向耦合器和 该耦合器两输出端口连接在一起形成的 一个光纤圈。
工作原理：假设耦合器耦合系数为 0.5，若光波从端口1进入耦合器，耦合 器将一半光功率耦合到端口3，将另一半 耦合到端口4，即有一半输入光沿光纤圈 顺时针方向传播，另一半沿逆时针传播。 当它们再次在输入端相遇时经历了相同 的相移，干涉相长的结果使其完全反射 回腔内。实际中有部分光从2端口输出。
光纤激光器
（Fiber Laser）
报告人：孔德欢 学号：201122607008
光纤激光器
（Fiber Laser）
光纤激光器简介
➢ 什么是光纤激光器 ➢ 光纤激光器的发展及分类
光纤激光器的基本理论
➢ 光纤激光器的基本结构 ➢ 掺杂离子的能级结构 ➢ 谐振腔结构
光纤激光器的特点及应用
光纤激光器的简介
8.兼容性好。与常规传输光纤在材料和几何尺寸上具有自然的通融性 和兼容性，因此易于进行光纤集成，耦合损耗低，使用方便。
9.可在恶劣的环境条件下工作，如高冲击、高震动、高温度等。 注：缺点有：线宽窄，噪声高，相对一般半导体激光器价格高。
光纤激光器应用
光纤激光器有着波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈 值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特点，在通信、传感、 军事、工业加工、医疗、光信息处理、激光印制等领域有着广阔的前景。
将刻好的FBG熔结在腔内光纤上。光纤Bragg光栅可取代F-P腔两端的高反 射镜，构成全光纤激光器，同时消除了腔镜与光纤的耦合损耗。
下图分别为分布Bragg反射（DBR）和分布反馈（DFB）结构光纤激光 器。
EDF
FBG1
FBG2
FBG
DBR光纤激光器
DFB光纤激光器
2. 环形腔
环形腔的优点在于可以不使用反射镜构成全光纤腔，最简单的设计是 将WDM耦合器的两个端口连接起来形成一个连着掺杂光纤的环腔，如下图所 示。光纤环形结构的核心部分是光纤定向耦合器。耦合器的两个臂（1,2点） 连接在一起，构成了光在其中传输的循环行程。耦合器起到了“介质镜” 的反馈作用，并形成了一环形谐振腔。
在通信方面，光纤激光器提供的1.30µm和1.55µm波段的激光是通信的两个 低损耗窗口。光纤激光器不仅能产生连续激光输出，而且能实现ps-fs超短光脉 冲的产生，在DWDM系统有巨大的潜在应用。光纤激光器使通信系统有更高的传 输速度，更远的传输距离，起着不可替代的作用。
在医疗方面，光纤激光器因其体积小、光纤柔软性好，光束质量好，且不 需冷却系统，已经得到了广泛的应用。光纤激光器使能缩短组织脱落和光致凝 结的手术时间;同时使得眼科疾病如角膜成形、近视、远视等的治愈成功率大大 提高。还在整容、切除肿瘤、治癌、皮肤病方面扮演重要的角色。
光纤：光导纤维的简称，主要由纤芯、包层和涂敷层 构成。纤芯由高度透明的介质材料制成，是光波的传输介 质；包层是一层折射率稍低于纤芯折射率的介质材料，与 纤芯构成光波导，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输； 涂敷层一般由高损耗的柔软材料制成，保护光纤不受水汽 的侵蚀和机械的擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
谢谢！
光纤激光器的特点
1.光束质量好，具有非常好的单色性、方向性和稳定性。 2.成本低。硅光纤的工艺现在已经非常成熟，并使用相对廉价的半导 体激光二极管作为泵浦源，降低了成本。 3.转换效率高。光纤既是激光增益介质又是光的导波介质，因此泵浦 光的耦合效率非常高；纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，加上光纤 激光器能方便地延长增益长度，使泵浦光充分吸收，转换效率较高。 4.输出波长多，调谐方便。作为激光介质的掺杂光纤，稀土离子拥有 极为丰富的能级结构，能级跃迁覆盖了从紫外到红外很宽的波段，可实 现激光振荡的跃迁能级很多。由于稀土离子能级宽加上玻璃光纤的荧光 谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器，调谐范 围宽。
5.温度稳定性好。基质材料是SiO2，具有极好的温度稳定性；而且光 纤结构具有较高的面积－体积比，所以其散热效果很好。
6.结构简单，小型化。由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸，容易耦合 到系统中，采用光纤光栅、耦合器等光纤元件极大地简化了激光器的设 计和制作，加上光纤极好的柔韧性，可设计得小巧灵活。
7.谐振腔内无光学镜片，腔镜可直接制作在光纤截面上，或采用光纤 耦合器方式构成谐振腔，具有免调节、免维护、高稳定性的优点。
光纤激光器的分类
分类依据
光纤激光器
谐振腔的结 F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形
构
腔DBR光纤激光器、DFB光纤激光器
光纤结构
单包层光纤激光器、双包层光纤激光器
增益介质 工作机制
稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶 光纤激光器、塑料光纤激光器
上转换光纤激光器、下转换光纤激光器
掺杂元素 输出波长 输出激光
钕（Nd）、铒（Er）、镱（Yb） 、铥（Tm）、镨（Pr） 钬（Ho）等15种 S波段（1280-1350nm）、C波段（1525-1565nm）、L波段
（1565-1620nm） 脉冲激光器、连续激光器
光纤激光器的基本理论
• 光纤激光器的基本结构
腔镜
腔镜
泵浦光
掺杂光纤
高能态 亚稳态
1350nm
444III111513///222 4I9/2
下能级
钕离子（Nd3+）能级结构
3.上转换能级的结构
可见光波段激光的产生源于上转换过程。频率上转换是指来自同一 （或不同）泵浦激光器的多个光子被掺杂离子同时吸收，该离子跃迁到 能极差大于单个泵浦光子能量的能级上，使得激光器的工作频率高于泵 浦光频率的过程。
B）将腔镜直接镀在抛光后的光纤端面上。缺陷：面反射镜要求光纤端面抛 光性能好，没有细微缺陷；高功率密度的泵浦光透过端面腔镜，会对腔镜的绝缘 镀层损坏，降低激光器的性能。
为了避免泵浦光对腔镜的损坏： 1）用波分复用耦合器直接将泵浦光耦合进入腔内； 2）用光纤Bragg光栅(FBG)代替腔镜，将FBG直接刻在腔内的光纤上或
输出激光
激光产生的条件：形成粒子数反转，提供光反馈，满足激光振荡的 阈值条件。
激光器一般由三部分组成：激光工作物质（掺杂光纤）、泵浦源 （半导体激光二极管）、光学谐振腔（线形腔、环形腔等）。
掺杂离子的能级结构
1. 三能级系统的能级结构
4I1ห้องสมุดไป่ตู้/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
光纤激光器：指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益 介质的激光器，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。
光纤激光器的发展
激光器 问世不久，美国光学公司（American optical corporation）的 Snitzer 和Koester分别于1963年和1964年首先提出光纤激光器和放大器的构 思。1966年高锟和Hockham 提出了光纤通信的基本概念。1970年后光纤通 信经历研究开发阶段（1966-1976），实用化阶段（1977-1986）。1986年以 后迅速进入大规模光纤通信建设阶段。随着光通信的迅猛发展，光纤制造 工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟，为光纤激光器和放大器的发展奠 定基础。英国的南安普敦大学和通讯研究实验室、德国汉堡技术大学、美 国的Polaroid Corporation、Bell实验室，日本的NTT、Hoya均在光纤激光器 研究中取得许多重要成果。近年来，美国IPG Photonics公司异军突起，展 示S、C、L Bands 的各种光纤放大器，高功率的EDFA，Raman光纤激光器 和双波长Raman光纤激光器，并推出各种商用掺Yb高功率光纤激光器，最 大功率达1万瓦；单模输出功率高达1000W,光束质量非常好。
简单的光纤环形谐振腔结构
ISO PC
Doped fiber
WDM
pump output
环形腔光纤激光器结构图
波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接着 掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺 杂 光 纤 为 非 保 偏 的 普 通 光 纤 ， 还 需 要 使 用 偏 振 控 制 器 （ PC ： Polarization Controller）。
光纤圈谐振腔，与环形谐振腔结 构类似，基于定向耦合器。不同的是 进入光纤圈的光波可以通过另一端输 出，还可以再次通过输入端输出，成 为向后传播的光波，这两种波分别为 透射波和反射波。这个装置本质上来 说是一个干涉仪。
两个光纤圈串联的激光器结构
光纤激光器的谐振腔结构还有“8”字形腔、Fox-Smith谐振腔及一 些输出可调谐振腔等。
1480nm 泵浦
4I15/2
基态
铒离子（Er3+）能级结构
2. 四能级系统的能级结构
4G7/2
激发态吸收是指处于上能级的粒 子吸收泵浦能量向更高能级跃迁 的过程，是一种能量的无效损耗， 降低泵浦效率。
激发态吸收 1330nm
4F5/2 4F3/2
800nm 泵浦
无辐射跃迁
920nm 1060nm
1G4 1060nm泵浦
480nm
3F2
3H4 1060nm泵浦 3H5
3F4 1060nm泵浦
3H6 铥离子（Tm3+）上转换能级图
光纤激光器的谐振腔结构
1.线形腔
M1
M1全反
M2 部 分
M2
反射
泵浦光
掺杂光纤
输出激光
A）腔镜在光纤端面耦合。要求：1）腔镜紧密地贴近光纤端面 ，从而避免 散射损耗。2）高精度地调整光纤或腔镜的相对位置，因为只要光纤端面或腔镜 稍有倾斜，损耗就会迅速增大，给调整带来困难。
pump laser PC
EDF 980/1550 nm
WDM
ISO
coupler
波长选 择器件
filter
output
环形腔掺铒光纤激光器结构图
3.其它腔型结构
光纤圈反射器（光纤环形镜），结 构如下图所示，包含一个定向耦合器和 该耦合器两输出端口连接在一起形成的 一个光纤圈。
工作原理：假设耦合器耦合系数为 0.5，若光波从端口1进入耦合器，耦合 器将一半光功率耦合到端口3，将另一半 耦合到端口4，即有一半输入光沿光纤圈 顺时针方向传播，另一半沿逆时针传播。 当它们再次在输入端相遇时经历了相同 的相移，干涉相长的结果使其完全反射 回腔内。实际中有部分光从2端口输出。
光纤激光器
（Fiber Laser）
报告人：孔德欢 学号：201122607008
光纤激光器
（Fiber Laser）
光纤激光器简介
➢ 什么是光纤激光器 ➢ 光纤激光器的发展及分类
光纤激光器的基本理论
➢ 光纤激光器的基本结构 ➢ 掺杂离子的能级结构 ➢ 谐振腔结构
光纤激光器的特点及应用
光纤激光器的简介
8.兼容性好。与常规传输光纤在材料和几何尺寸上具有自然的通融性 和兼容性，因此易于进行光纤集成，耦合损耗低，使用方便。
9.可在恶劣的环境条件下工作，如高冲击、高震动、高温度等。 注：缺点有：线宽窄，噪声高，相对一般半导体激光器价格高。
光纤激光器应用
光纤激光器有着波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈 值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特点，在通信、传感、 军事、工业加工、医疗、光信息处理、激光印制等领域有着广阔的前景。
将刻好的FBG熔结在腔内光纤上。光纤Bragg光栅可取代F-P腔两端的高反 射镜，构成全光纤激光器，同时消除了腔镜与光纤的耦合损耗。
下图分别为分布Bragg反射（DBR）和分布反馈（DFB）结构光纤激光 器。
EDF
FBG1
FBG2
FBG
DBR光纤激光器
DFB光纤激光器
2. 环形腔
环形腔的优点在于可以不使用反射镜构成全光纤腔，最简单的设计是 将WDM耦合器的两个端口连接起来形成一个连着掺杂光纤的环腔，如下图所 示。光纤环形结构的核心部分是光纤定向耦合器。耦合器的两个臂（1,2点） 连接在一起，构成了光在其中传输的循环行程。耦合器起到了“介质镜” 的反馈作用，并形成了一环形谐振腔。
在通信方面，光纤激光器提供的1.30µm和1.55µm波段的激光是通信的两个 低损耗窗口。光纤激光器不仅能产生连续激光输出，而且能实现ps-fs超短光脉 冲的产生，在DWDM系统有巨大的潜在应用。光纤激光器使通信系统有更高的传 输速度，更远的传输距离，起着不可替代的作用。
在医疗方面，光纤激光器因其体积小、光纤柔软性好，光束质量好，且不 需冷却系统，已经得到了广泛的应用。光纤激光器使能缩短组织脱落和光致凝 结的手术时间;同时使得眼科疾病如角膜成形、近视、远视等的治愈成功率大大 提高。还在整容、切除肿瘤、治癌、皮肤病方面扮演重要的角色。
光纤：光导纤维的简称，主要由纤芯、包层和涂敷层 构成。纤芯由高度透明的介质材料制成，是光波的传输介 质；包层是一层折射率稍低于纤芯折射率的介质材料，与 纤芯构成光波导，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输； 涂敷层一般由高损耗的柔软材料制成，保护光纤不受水汽 的侵蚀和机械的擦伤，同时增加光纤的柔韧性。