大功率光纤激光器技术及其应用

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1、大功率光纤激光器技术及其应用宋志强(山东省科学院激光研究所，山东济南250014)摘要：光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最炙手可热的研究课题，尤其是大功率光纤激光器，已在很多领域表现出取代传统固体激光器和c02激光器的趋势。本文从光纤激光器的结构出发，详细论述了大功率光纤激光器的工作原理和关键技术，重点介绍了应用更为广泛的脉冲型光纤激光器技术，最后简单列举了大功率光纤激光器的优势及其在工业加工、国防、医疗等领域里的应用情况。关键词：光纤激光器；包层泵浦技术；双包层掺杂光纤；光纤光栅；应用中图分类号：TN249文献标识码：ATheDevelopmentofHig

2、h-PowerFiberLaserandItsApplicationsSONGZhi—fflang(InstituteofLaser，ShandongAcademyofSciences，Jinan250014，China)Abstract：Thetechnologyoffiberlasersisoneofresearchfocusestopicsincurrentoptoelectmniearea，especiallyforahigh-powerfiberopticlaserthathasexhibitedatendencysubstitutingtraditio

3、nalsolidstatelaserandCOzlaserinmanyanjas．Wefullyexpounditsprinciplesandsonickeytechnologiesfromitsstructure，emphasizethetechnologyofapulsefiberopticlaserthatismorewidelyapplied，andenumerateitssuperioritiesandapplicationsinsucha】麟industrialprocessing，nationaldefense，medicalservice，etc．

4、Keywords：fiberopticlaser；claddingpump；doublecladrare—earthdopedfd~er；fiberBragggrating；application所谓光纤激光器就是利用稀土掺杂光纤作为增益介质的激光器，它的发展历史几乎和激光器技术一样长。早在20世纪6o年代初，美国光学公司的E．Snitzer等人就已经提出了掺稀土元素光纤激光器和放大器的构想…，但直到20世纪80年代，随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层结构光纤的提出，光纤激光器才进人了一个蓬勃发展的阶段。最近十年，适合各种不同应用目的和领域的光纤激光器已雨后春笋

5、般涌现于世一。l工作原理及关键技术同其他类型激光器一样，光纤激光器主要由泵浦源、谐振腔和增益介质三要素构成，具体包括泵浦LJ)、DCDF、大模场FBG和光纤合束器等，如图1所示。光纤激光器的所有器件均可由光纤介质制作，因此光纤技术是决定光纤激光器性能的关键因素。收稿日期：2008-08．23基金项目：山东省仪器设备改造项目资助(20o7GG1rI℃o4039)。作者简介：宋志强(1982一)，男，硕士，主要研究方向为大功率光纤激光器技术。E-mail：zhiqiangs@gmail．1301／1第6期宋志强：大功率光纤激光器技术及其应用73[激光输出图1大功率全光

6、纤激光器结构原理图1．1特种光纤技术起初，光纤激光器采用直径小于10pan的掺杂纤芯作为激光和泵浦光的共同波导，由于LD泵浦光只能从面积极小的端面进入纤芯且只能采用单模LD泵浦，导致泵浦耦合效率很低，光纤激光器输出功率不高，限制了其应用。1988年，E．Snitzer等人提出了基于包层泵浦技术的双包层结构光纤使得这一问题得到解决。双包层光纤结构如图2所示，它是在单包层光纤的基础上围绕掺杂纤芯增加了一个内包层作为泵浦光的传输波导，多模泵浦光可在内包层中传输并不断穿越纤芯而被其中的掺杂离子吸收，而产生的激光仍由纤芯波导传输以保证其高光束质量。双包层光纤的内包层直径一般

7、在40～500tan，NA一般在0．2～0．5之间，用以传输大功率多模泵浦光；掺杂纤芯直径一般在5～50／an，NA在0．05～0．22之间，对于具有大模场面积的双包层光纤，虽然理论上其纤芯支持多种模式，但可泵浦光保护层图2双包层掺杂光纤结构原理图以通过弯曲损耗等方法使其输出单模激光。由于内包层有较大的截面积和数值孔径，可容许千瓦级多模半导体泵浦激光进入其中，从而大大提高了光纤激光器的单模输出功率。纤芯的掺杂浓度以获得高泵浦吸收，避免浓度淬灭效应和热学问题，降低背景损耗为标准。另外，由于光纤结构的旋转对称性，双包层掺杂光纤对泵浦光的吸收效率很低。为了打破泵浦光在内

8、包层中的旋