光纤激光器的原理及发展前景

光纤激光器的原理及发展前景

摘要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。光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性。由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用,近几年来光纤激光器发展十分迅速。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。

关键字光纤激光器光通信谐振腔

1 .引言

光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：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。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。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方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。

2.光纤激光器的原理

2.1光纤激光器的分类

光纤材料的种类，光纤激光器可分为：（1）晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等。（2)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。(3)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。(4)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。

2.2光纤激光器的工作原理

光纤激光器的结构和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后．最终形成稳定激光输出。

光纤激光器有两种激射状态, 一种是三能级激射, 另一种是四能级激射。两者的差别在于较低能级所处的位置在三能级系统中, 激光下能级即为基态, 或是极靠近基态的能级。而在四能级系统中, 激光下能级和基态能级之间仍然存在一个跃迁, 通常为无辐射跃迁。电子从基态提升到高于激光上能级的一个或多个泵浦带, 电子一般通过非辐射跃迁到达激光上能级泵浦带上的电子很快弛豫到寿命长的亚稳态, 在亚稳态上积累电子造成电子数多于激光下能级, 即形成粒子数反转。电子以辐射光子的形式放出能量回到基态这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回增益介质中诱发受激发射, 产生与诱发这一过程的光子性质完

全相同的光子当光子在谐振腔内所获得的增益大于其在腔内的损耗时, 就会产生激光输出。理论上四能级光纤激光器的阐值低于三能级系统【1】。

3.光纤激光器的优点

光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势：

（1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势；

（2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；

（3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低

（4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多；（5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。

（6）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。

（7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。【2】

（8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。

(9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。

（10）高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。

（11）高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦。

4.光纤激光器的应用

高功率掺镱光纤激光器（HPFL）与目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半导体泵浦YAG激光器相比，表现出突出的优点，特别是电光转换效率高，光束质量好，泵浦源寿命长，使用方便，环境适应能力强，空气冷却等优点，使它在激光应用技术领域中呈现出美好的应用前景。

4.1标刻应用

脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的免维护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无须水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运行费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选【3】一套光纤激光打标系统可以由一个或两个功率为25W的光纤激光器，一个或两个用来导光到工件上的扫描头以及一台控制扫描头的工业电脑组成。这种设计比用一个50W激光器分束到两个扫描头上的方式高出达4倍以上的效率。该系统最大打标范围是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全标刻范围内绝对定位精度是+/-100um。100um工作距离时的聚焦光斑可小到15um。

4.2材料处理的

光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的部位被加热的热处理过程。1um左右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸收。

4.3 材料弯曲的应用

光纤激光成型或折曲是一种用于改变金属板或硬陶瓷曲率的技术。集中加热和快速自冷切导致在激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率。研究发现用激光处理的微弯曲远比其他方式具有更高的精密度，同时，这在微电子制造是一个很理想的方法。