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1、光纤激光器介绍--一．光纤激光器地原理简洁光纤激光器是指以光纤为基质掺入某些激活离子作做成工作物质,或者是利用光纤本身地非线性效应制作成地一类激光器.Nd2o3地光纤激光器是于1963年首先研制成功.与普通激光器一样,光纤激光器也由工作物质、谐振腔和泵浦源组成,如图所示.一般地光纤激光器大多是在光纤放大器地基础上发展起来地.它是利用掺杂稀土元素地光纤,再加上一个恰当地反馈机制便形成了光纤激光器.掺杂稀土元素地光纤就充当了光纤激光器地增益介质.在光纤激光器中有一根非常细地光纤纤芯,由于外泵浦光地作用,在光
2、纤内便很容易形成高功率密度,从而引起激光工作物质能级地粒子数反转,从纤芯输出激光.依据掺杂离子(如Ｅｒ3+、Ｙｂ3+、Ｎｄ3+等)特性地不同,工作物质吸收不同波长泵浦光而激射出特定波长地激光.由于掺Ｙｂ光纤具有宽吸收谱、宽增益带和调谐范围宽等优点,目前高功率光纤激光器,大多采用掺Ｙｂ3+(或Ｅｒ,Ｙｂ共掺)光纤.光纤是以SiO2为基质材料拉成地玻璃实体纤维,一般由中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-62.5μm)、中间低折射率硅玻璃包层(芯径一般为125μm)和最外部地加强树脂涂层组成.二、几种光纤激光器
3、2.1低功率光纤激光器普通通讯用地光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级,其典型结构如下图：LD掺稀土离子光纤光栅1光栅2输出激光它与我们传统加工用地工业激光地显著区别有：用掺杂离子地光纤作为工作物质用光纤光栅代替光学镜片构成光学谐振腔LD泵浦源可以通过尾纤与掺杂光纤无缝耦合导光部分也直接采用光纤输出.但是该种激光器地单模纤芯直径只有9um,而且只能采用端泵,无法承受太高地功率密度；另外,单模纤芯对LD地模式提出了严格地要求,只有单模光才可以耦合进纤芯进行有效泵浦,可惜大功率单模LD至今无法实现；最后,强泵浦
4、光耦合在很细地纤芯里会出现严重地非线性效应,从而改变会改变光学性能和降低转换效率.由于该种激光器受到功率地影响,一直以来只局限于光通讯领域；同时由于巨大地行业差距,几乎无人曾敢把它与激光加工联想到一块.所以,大功率输出是光纤激光器发展地最大瓶颈,几乎所有地研究工作都在围绕这个问题展开.尽管中国绝大部分人士是在2002年以后才意识到高功率光纤激光器,可是俄罗斯至少潜心苦研了20年后有了IPG公司,英国也至少研究了30年也有了SPI.他们在冷战时代都肩负着重要地国防使命,得到了国家地鼎立支持并一直是军事领域
5、地绝密.2.2、高功率光纤激光器下图是来自俄罗斯技术地IPG公司地高功率光纤激光器地原理图,按激光器三大组成部分浅析如下：LDLDLDLDLDLD掺稀土离子光纤LDLDLDLDLDLD光栅1光栅2激光输出2.2.1、工作物质-----双包层特种光纤：1、单模纤芯由掺镱离子等元素地石英材料构成,作为激光振荡通道；而内包层则由横向尺寸和数值孔径比纤芯大地多、折射率比纤芯小地纯石英材料构成,它是接受多模LD泵浦光地多模光纤；正是因为掺杂激活纤芯和接受多模泵浦光地多模内包层分开,才得以实现了多模光泵浦而单模光输
6、出地可能,从而无形化解了激光功率和光束质量这一矛盾.2、整个双包层光纤采用D型等结构,旋光效应小,吸收充分,光光转换80%以上.3、光纤两侧生出无数杈纤,每分衩可与带尾纤地LD无缝耦合形成分点泵浦,可极大地提高输出功率,同时又避免了传统端泵带来地一系列热效应问题.光纤采用比普通玻璃性能更好地石英材料制成,同时掺杂耐高辐射离子,整段光纤可承受高达10,000W地激光能量而不会出现热损伤情况.Yb3+没有激发态吸收,可高浓度掺杂,同时光纤可达几百米,一可大大提高激光增益,二又增大了散热面积；光纤盘在热沉（国
7、内习惯上将这种模拟宇宙冷黑环境地装置叫做“热沉”.）上,简单风冷便可稳定工作.Yb3+地吸收谱比Nd3+要宽10倍,对LD光源模式十分宽松,几乎不受波长温漂地影响,可大大转换效率.Yb3+能级为简单地二能级,亚稳态寿命是Nd3+地三倍,小功率泵源就可在激发态积累贮存大量地能量,十分合适在极窄地纤芯内形成高密度地离子数反转,从而可输出稳定地强激光.2.2.2、光学谐振腔----光纤光栅：1、光纤光栅是利用光纤材料地光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率地永久性变化,用紫外激光直接写入法在单模
8、光纤地纤芯内形成地空间相位光栅,其实质是在纤芯内形成一个窄带地滤光器或反射镜.2、光纤光栅是被刻在纤芯地两端,当激活离子发射出一连续宽带光传输到光栅时,它会有选择地反射回相应地一个窄带光（如1064nm）,并沿原传输光纤返回振动；其余杂光则直接透射或发射到光纤外滤掉.3、光纤光栅是在纤芯本身上刻录地,与光纤连成一体高度融合,不占任何额外体积,无任何插损,不怕任何振动和杂物地侵入.4、光纤光栅起着激光选频、反馈和放大地功能,从而巧妙地取代了镜
