光纤激光器工作原理及发展

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1、光纤激光器的工作原理及其发展前景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而市，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川光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等7/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商。己达到10—100kW。作为工业用激光器，现已成为

2、输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研宂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。其应用领域也己从目前最力成熟的光纤通讯网络A面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。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。2光纤激光器的结构及工作原理2.1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

3、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A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。图1为典型的光纤激光器的基本构型。增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间.从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤屮.激射输出光从第2个反射镜输出来。2.2光纤激光器的工作原理掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，

4、因力光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子吋.就会被稀土离子所吸收。这吋吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从岛能级转移到基态，并且释放出能:U:,完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。激光发射是受激辐射远远超过向发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转.因此要求参与过程的能级应超过2个，同时还要有泵浦源提供

5、能量。光纤激光器实际上也可以称为波长转换器.通过它可以将泵浦波长光转换力所需的激射波长光。例如，掺餌光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。激光输出是连续的还是脉冲输出形式主要依赖于激光工作介质.如果是连续形式输出，激光上能级的自发发射寿命必须岛于激光下能级以获得较高的粒子数反转。如果是脉冲形式输出.激光T能级的寿命就会超过上能级,此时就会以脉冲的形式输出光纤激光器有2种激射状态：三能级和卩4能级激射。3光纤激光器的分类（1）按增益介质分类：稀土离子摻杂

6、光纤激光器（Nd3+、Er3+.yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶）。非线性效应光纤激光器（利用光纤中的SRS、SBS非线性效应产生波长可调谐的激光）。在光纤中掺人不同的稀土离子，并采川适当的泵浦技术，即可获得不同波段的激光输出。（2）按谐振腔结构分类:F—P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及”8”字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器（3）按光纤结构分类：单和双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。（4）按输出激光类型分类：连续光纤激光器.超短脉冲光纤激光器、大功率光纤激光器

7、。（5）按输出波长分类:S—波段（1460〜1530nm）、C一波段(1530〜1565nm)、L一波段(1565〜1610nm)4光纤激光器的特点在激光振荡屮.将能量集屮于谐振腔所选的驻波以产生相干光。在光技术屮，只有光纤和波导能对光轴方向和横模方向进行三维模控制。在以单模光纤作增益介质的光纤激光器屮无竞争横模，因此可进行稳定的激光振荡。在rtr激光引起的热损伤、受激喇曼散射和受激布里渊散射发生之前，如果没有模的竞争，那么只要注入泵浦光，就能增大激光输出功率。激光的增益和损耗比限制存储于激光介质中的能量转换效率。因光纤

8、本身的损耗低，与其他激光器相比，具有超氏（5—10m以上）特征的光纤激光器的增益和损耗比大100倍一1000倍。因此，即使进行模控制,也可将存储能M儿乎无损耗地转换成激光（光能）。实际上，光纤激光器的输出功率与泵浦光成正比地线性增大，其转换效率达到85%。在950nm波段激励，在1080nm波段振荡的镱量子效率为88