光纤激光器简介
目录
第一章、激光基础
第二章、激光器
第三章、光纤的特性
第四章、光纤激光器
第五章、实验室激光器型号及操作安全
第一章激光基础
1.1什么是激光？
激光在我国最初被称为“莱赛”，即英语“Laser”的译音，而“Laser”是“Light amplification by stimulated emission of radiation”的缩写。意为“辐射的受激发射光放大”，大约在1964年，根据钱学森院士的建议，改名为“激光”。激光是通过人工方式，用光或者放电等强能量激发特定的物质而产生的光。
激光的四大特性：高亮度、高单色性、高方向性、高相干性。具有高亮度的激光束经过透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其能够加工几乎所有材料。由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。
1.2激光产生的基本理论
1.2.1原子能级和辐射跃迁
按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续的轨道，这些轨道称为能级,如图1-1。
图1-1 原子能级图
当电子在不同的能级时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级称为基态。当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时，原子的能量增
图1-2 电子跃迁图
加，从外界吸收能量。反之，电子从较高能级跃迁到较低能级时，向外界发出能量。在这个过程中，若原子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1）。
1.2.2受激吸收、自发辐射、和受激辐射
受激吸收：处于低能级上的原子，吸收外来能量后跃迁到高能级，则称之为受激吸收。
自发辐射：由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级上的原子总是要自发跃迁到低能级上去，如果跃迁中发出光子，则这个过程称为自发辐射。
两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越高。如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的音调频率就高，反之则低。自发辐射光极为常见，普通光源的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。前一过程是粒子由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态粒子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。当外界不断地提供能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸收，再自发辐射……如此循环不止地进行下去。每循环一次，放出一个光子，光就这样产生了。以电灯为例：接通电源后，电流流经灯泡中的发光物质——钨丝，钨丝被灼热，使钨原子跃迁至高能态，然后又自发跃迁回低能态并同时辐射出光子，于是灯泡就亮了。
受激辐射：处于高能级E2上的原子，受外来频率（满足hv=E2-E1）的光子的激励，从E2跃迁到E1，发出一个和外来光子完全相同的光子，称为受激辐射。
受激辐射和自发辐射有本质的区别：前者是受激产生，跃迁时产生的光子与外来光子在频率、相位、方向、和偏振方向上完全一致，吸收一个光子，放出两个光子，产生的光子相当于加强了外来光子，即光放大作用。而自发辐射的光子频率不同，是杂乱无章的，完全不相干的。
光放大作用简单地说，就是输入是一个外来光子，而输出的则是性质与外来光子一模一样的两个光子，因为在输出的两个光子中，一个就是外来光子本身，而另一个则是在受激辐射过程中释放出来的，即是被外来光子“激”出来的。一个光子激发一个粒子产生受激辐射，得到两个完全相同的光子，这就是光的“放大”。这两个光子再去激发两个粒子产生受激辐射，就可以得到完全相同的4个光子，4、8、16……如此链锁反应，完全相同的光子数目便会越来越多，可见受激辐射过程也就是光放大的过程。在受激辐射过程中产生并被放大了的光，便是激光。
1.2.3粒子反转分布
从光的放大作用可以看出，要想实现放大，则必须输入外来光子（即种子光，后面要讲的泵浦光），并且要有可供受激辐射的处在高能级的原子。在平衡状态下，粒子（原子、分子等）在各能级的分布满足玻尔兹曼公式，即能级的能量愈高，上面的粒子数越少。这时如果给粒子系统提供一个外来能量，使低能级上的粒子吸收能量跃迁至高能级上，使高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，这个过程即称为粒子集居数反转。只有在两个形成了粒子数反转的能级之间，受激辐射的分量才能大于受激吸收，光才能得到放大。
1.2.4激光产生的三要素：激励源，工作介质，谐振腔
一、激励源
要想把处于低能态的粒子送到高能态去，就得借助外力工具来实现。这个过程类似于把水位很低的河水或井水抽运到水塔上的蓄水池里，必须要有足够功率
的水泵作功才成。同理，要实现粒子数反转，首先必须消耗一定的能量把大量粒子从低能级“搬运”到高能级，这种过程在激光理论上叫做泵浦或激励。由于其作用原理和水泵抽水相类似，所以把能使大量的粒子从低能态抽运到高能态的激励装置通称之为“光泵”。
“光泵”只是在解释粒子数反转时借用的一种形象的说法。实际上粒子都是甘居低能态的，而且很顽固，并不是象水一样很容易地就被泵抽运走了。即使费了很大劲把一部分抽运到了高能态，但它们很快就又自发地跃回低能态了。怎么办呢，那就需要加大能量不停顿地来轰击。就是说，激励不仅要快，而且要强有力。激励作用总是通过消耗一定的能量来实现的，产生受激辐射所需要的最小激励能量定义为激光器的阈值。阈值是描述激光器整体性能的一个重要参数。
二、工作介质
在大千世界里，各种各样的物质都是由分子、原子、电子等微观粒子组成的，如果有了强大的激励是不是都能在物质中实现粒子数反转而产生激光呢?不是的，激励只是一个外部条件，激光的产生还取决于合适的工作物质，也称之为激光器的工作介质，这才是激光产生的内因。前面我们所讲到的都是以二能级系统为例来讨论的，也就是说工作物质只有高、低两个能级。实际上目前所有已实现的激光辐射都是三能级或四能级系统。
下图是红宝石激光器的铬离子(Cr3+)的简化能级图，这是一个典型的三能级系统。图中所示的E1,E2,E3中，E2是亚稳态级。
外界激发作用将会把粒子从E1抽运到E3，被抽运到E3的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2，因为E3的寿命只有10-9秒，即10亿分之一秒，不允许粒子久留，所以此过程很快。但E2的亚稳态，寿命较长，约为10-3秒，即千分之一秒，允许粒子久留。随着E1上的粒子不断地被抽运到E3，又很快转移到E2，既然E2允许粒子久留，那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小，于是粒子就在E2上积聚起来，从而实现E2对E1两能级间的粒子数反转。
这个系统便能对诱发光子能量hV=E2—E1的光进行光放大。显然，E2能级好象一个水塔上的蓄水池，能够贮存大量的粒子，只有亚稳态级才具有这种能力，但并不是所有的发光物质都具有亚稳态结构，这就是有些物质可以“激”出激光来，而有些物质却“激”不出来的道理。所以，具备亚稳态能级结构是对产生激光的工作物质的起码要求。
三、谐振腔
合适的工作物质有了，实现粒子数反转的激励源有了，这下子该“激”出激光了吧!还不行，因为人们在实验中发现这样虽然可以产生受激辐射，但非常微弱，根本形不成可供人们使用的激光。这很自然的使人们想到了采用放大的办法来解决这个问题，于是出现了光学谐振腔。即利用两个面对面的反射镜，使放大了的光在镜间来回被反射，反复通过镜间的介质不断再放大，即反馈放大。两个反射镜可以是平面，也可以是球面。其中一个要求是反射率为100％的全反射镜，
图1-3谐振腔示意图
另一个是部分反射镜。比如，反射率为95％时，5％的光透射出去供人应用，从而构成光学谐振腔。因为其侧面是敞开的，所以，又称作“开放腔”。当把激光介质置于两反射镜之间后，即可构成激光振荡器。当外界强光激励置于两镜间的激光介质时，就在亚稳态级与稳态级之间实现了粒子数反转。处于亚稳态级的粒子当自发地跃迁到低能级时将自发辐射光子，但这种发射是无规律的，射向四面八方，其中一部分可以诱发激发态上的粒子产生受激辐射。
从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽管它也可以诱发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又是敞开的，终将逸出腔外。所以，产生激光的作用不大。唯独沿腔轴方向的自发辐射才起作用。每当它碰到镜面时，便被反射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。其中一部分从部分反射镜端射出，这就是激光；而其余部分留在腔内继续反馈放大以维持不断的向外辐射激光。
激光产生的流程图如下所示：
图1-4 激光产生流程图
第二章激光器
2.1激光器的历史
激光器的发展史应该追溯到1917年，爱因斯坦提出光的受激辐射的概念，预见到受激辐射光放大器诞生，也就是激光产生的可能性。20世纪50年代美国科学家汤斯及前苏联科学家普罗科霍罗夫等人分别独立发明了一种低噪声微波放大器，即一种在微波波段的受激辐射放大器Maser（Microwave amplification by stimulated emission of radiation )。
1958年美国科学家汤斯和肖洛提出在一定条件下，可将这种微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段，制成受激辐射光放大器Laser（Light amplification by stimulated emission of radiation）。
1960年7月美国的梅曼宣布制成了第一台红宝石激光器。
图2-1 梅曼的第一台红宝石激光器
1961年我国科学家邓锡铭、王之江制成我国第一台红宝石激光器，称其为“光学量子放大器”。随后我国科学家钱学森建议统一翻译成“激光”或“激光器”。
图2-2我国激光器发展历史
图2-3我国第一台激光器
2.2激光器的分类
激光的历史于1960年应用3能级固体激光器的红宝石激光器的振动而拉开了帷幕。对气体激光器、半导体激光器、染料激光、光纤激光器等新激光材料、
介质的研究逐渐活跃地展开。现在，在工业用激光器中，二氧化碳激光器、准分子激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器等已被广泛应用。
本节将按照增益介质的不同对激光器进行分类，对各种代表性的激光增益介质、泵浦方法、振荡形态、振荡波长进行描述。与激光器的特征有关的项目和种类见表：
图2-4 激光器分类图
（a）液体激光器
液体激光器是以液体作为介质的激光器。最被广泛应用的液体激光器的介质是染料分子溶于有机溶剂中的有机染料，实用化的液体激光器基本上是以有机染料为介质的染料激光器。
（b）气体激光器
气体激光器是利用气体分子作为激光介质的激光器，一般泵浦方法是对封入到玻璃管（或陶瓷管）内的气体放电。因为放电，被加速的电子将能量转移到气体激光介质的原子（或离子和分子），原子被泵浦到激发态能级而形成反转分布。根据激光介质的气体种类的不同，又可以细分为HeNe激光器、惰性气体激光器、准分子激光器、二氧化碳激光器。
（c）半导体激光器
半导体激光器工作原理是利用半导体物质，即利用电子在能带间跃迁
发光。用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器优点是体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。
（d）固体激光器
固体激光器的介质是掺稀土离子的晶体或者玻璃，可以获得小型化大功率的输出。为了在固体激光器中形成光的反转分布，要求介质要有高透明度、耐热性、热传导性、低温依存性等。具有代表性的固体激光器时在晶体中掺入Nb的3价离子Nb3+钇铝石榴石作为介质的Nb:YAG激光器。
（e）光纤激光器
光纤激光器（Fiber Laser）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：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。
第三章光纤的特性
3.1光纤的构造
光纤是是光导纤维的简写，是由石英玻璃（由熔化后的SiO2制成）、塑料等透明电介质材料制成的纤维，光被限制在光纤内部传播，传输原理是“光的全反射”。
前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。
图3-1 光缆
光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维，如图3-2。自内向外为：纤芯（芯层）-→包层-→涂覆层（被覆层）。核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输，所以又将二者构成的光纤称为裸光纤。涂覆层又称被覆层，主要对裸光纤提供机械保护，可分为一次涂层和二次涂层
纤芯（芯层）：光纤的纤芯主要由具有高折射率（记为n1）的导光材料制成，如：SiO2光纤芯层材料多为石英玻璃，其中掺入GeO2和P2O5，它的作用是传导光，使光信号在芯层内部沿轴向向前传输。在纤芯中常常掺入稀土元素，这主要是为了提高折射率，使其折射率高于包层。
包层：光纤的包层由低折射率（记为n2）导光材料制成（折射率较纤芯低），它的作用是约束光。由于纤芯和包层的折射率，满足n1>n2光传导条件，光波在芯包界面上可发生全反射，使大部分的光能量被阻止在芯层中，从而导致光信号沿
芯层轴向向前传输。
图3-2 光纤结构示意图
涂覆层（被覆层）：光纤涂覆层是为保护裸光纤、提高光纤机械强度和抗微弯强度并降低衰减而涂覆的高分子材料层。一般情况下涂覆层有二层，内层为低模量高分子材料，称为一次涂层；外层为高模量高分子材料，称为二次涂层。
3.2光纤的传播特性
光的入射角大于光纤的临界角θc，具有多个光路的光可以在光纤中传播（由传播光的波长、形状和性质决定光路的数量）光以不同入射角在光纤中传播的情况如图3-3所示。
图3-3 光纤的模式
基本模式和高次模式在光纤纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平
面波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射。如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化为2π的整数倍，就会形成驻波。只有能形成驻波的那些特定角度入射到光纤的光信号才能在光纤内传播，这些光波就称为模式。入射到光纤角度最大的模式（和光纤轴最接近的模式）称为基本模式，比基本模式小的角度入射的模式称为高次模式。
在光纤内只能传输一定数量的模。通常纤芯直径较粗（几十微米及以上）时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细（几个微米）时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者为单模光纤。
3.3光纤的分类
1.按光纤截面折射率分布
（1）阶跃型光纤(SIF：Step Index Fiber)纤芯和包层折射率都是均匀分布，折射率在纤芯和包层的界面上发生突变。
（2）渐变型光纤(GIF：Graded Index Fiber) 包层折射率均匀分布，纤芯折射率随着纤芯半径增加而减少，是非均匀连续变化的。
2. 按光纤的模式
根据传导模数的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。所谓"模"是指以一定角速度进入光纤的一束光，模式数就是光路数。
（1）单模光纤(SMF：Single Mode Fiber)
随着光纤的纤芯直径的缩小，光纤中可以传播的模式数减少，当纤芯直径小于一定值时，只剩下基本模式可以传播，即只能允许一束光传播，这样的光纤称为单模光纤。在单模光纤中，光强度分布近似于高斯分布，光纤信号畸变很小，没有模分散特性，因而，单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大，传输距离长，但因其需要激光源，成本较高。适用于长距离、大容量的光纤通信系统。
（2）多模光纤(MMF ：Multi Mode Fiber )
光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在多个传导模式。多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散(因为每一个“模”光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散)，模分散技术限制了多模光纤的带宽和距离，因此，多模光纤的芯线粗，传输速度低、距离短，整体的传输性能差，但其成本比较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境下。
(a ) 阶跃型多模光纤 (b ) 渐变型多模光纤 (c ) 单模光纤
3.4双包层光纤
到20世纪80年代为止，光纤激光器都是将泵浦光直接入射到光纤的纤芯中进行泵浦的（纤芯直接泵浦光纤激光器）。但是对于单模光纤（SMF ）的纤芯直(a)(b)(c)
接泵浦，因为芯径非常细，将高强度的泵浦光导入到纤芯中，无论在技术上还是在材料方面都很困难（特别是使用空间输出型LD的场合）。另外，对于多模光纤（MMF）的纤芯直接泵浦方式，光束品量降低，无法满足大功率高光束品量的加工要求。
但是，1988年大功率和高光束品量兼备的光纤激光器实现方法得到提议，就是使用双包层光纤（Double Clad Fiber，DCF）进行包层泵浦的光纤激光器（双包层光纤激光器）。这种双包层光纤激光器迅速普及，成为现在的大功率光纤激光器的主流泵浦方法。下图是普通光纤与双包层光纤的对比示意图。
（a）普通单包层光纤
（b）双包层光纤
第四章光纤激光器
4.1光纤激光器简介
光纤激光器是使用掺稀土类的光纤作为介质的激光器。虽然它是固体激光器的一种，但是因为介质的形状很不同，一般将Nd: YAG等的块状固体激光器与光纤激光器分开来考虑。有连续（CW）振荡和脉冲振荡的光纤激光器两种，前者具有大功率，多应用在切割和焊接方面，后者为小功率，多用在微细加工和打标记方面。
至今描述的块状固体激光器中，泵浦光和激光的耦合效率低，模式控制也比较困难。由于光学系统的反射镜、透镜等的尘埃附着，周围环境的热和机械影响带来的光轴偏离等，导致发生输出功率降低和光束品量变差等现象。更进一步，随着大功率化，热透镜效应、热致双折射效应等热效应变得显著，所以光束品量大幅降低。而光纤激光器克服了固体激光器的这些缺点，显示出一些新的特征。
图4-1 光纤激光器基本构造
图4-1所示为光纤激光器的基本构成，只有激光增益介质选用光纤，由包含空间耦合元件在内的法布里珀罗型光纤激光器的谐振腔构成。如此，光纤激光器的构成要素和固体激光器是一样的，但块状的谐振腔构成元件可以用引线元件代替，可以减少元件数目。传统的块状激光谐振腔的调整复杂，激光谐振腔的制作需要丰富的经验和组装时间。相对地，光纤激光器可以使用模块化的光纤通信技术，一般人都可以简单地组装稳定的激光谐振腔。
光纤激光器的实用化是从光通信带（1.5μm）的掺铒（Er）光纤激光器开始
的。1985年利用改进型化学气相沉积法制成了低损耗硅玻璃的单模光纤，1987年在硅玻璃光纤的损耗最低的1.54μm 带，开发了低噪声的掺Er 光纤放大器（EDFA ），所以才有不需要光电转换的光信号而被直接放大成为可能。因为EDFA 的开发，光通信市场开始活跃，与900nm 带的InGaAs 系LD 的普及和高性能化一起，光纤激光放大器的研究开发得到了快速发展。
光通信以外，最初被应用的大功率光纤激光器是掺钕（Nd ）的光纤激光器（钕纤维激光器）。1988年，先前的型芯泵浦概念被打破，而后是包层泵浦的Nd 的光纤激光器登场以来，CW 光纤激光器的输出功率呈飞跃式增大。1999年采用包层泵浦Nd 光纤的CW 光纤激光器已达到100W ，2002年已达到1kW 。现在作为由于掺Nd 介质而具有优良特性的大功率激光器的掺镱（Yb ）光纤激光器的研究发展很快。Yb 光纤激光器的振荡波长在1030~1100nm 之间，2005年掺Yb 单模光纤激光器CW-2kW 、2008年CW-6kW 、2009年CW-10kW （商品化产品为2kW ），多模50kW 已制成。
因为光纤激光器的光束品量非常优良，在切割加工、打标记、远程焊接等工业应用中，正在逐渐取代其他激光器。另外，在2μm 带，掺铥（Tm ）光纤激光器（Tm 光纤激光器）的研究得到进展。因为可以应用在医疗设备和特殊加工等领域。
4.3光纤激光器的原理
图4-2 光纤激光器原理图
如图4-2所示，光纤激光器的原理图与其他激光器一样，也是由最主要的三部分组成：泵浦源（LD ）、工作介质、谐振腔。在光纤激光器中，工作介质是掺高反射镜，光源95%被
反射，5%被输出
全反射镜
杂了稀土元素的光纤。首先种子光源由泵浦光产生，通过光学耦合系统将泵浦光导入到增益光纤中，产生受激辐射，在工作介质中，种子光源被放大，但是还达不到我们需求的强度，这时谐振腔起到了振荡光的作用，放大的光到达右边的高反射镜后绝大部分被重新反射进入增益光纤中，从而在增益光纤中再次发生受激辐射光放大。光源又一次被放大，谐振腔的左边是一个全反射镜，将光源再次反射，在两面镜子之间，光源每反射一次，激光就产生一次放大过程。直到光强度达到阀值后，放大光的一小部分才通过右边的半反射镜输出，成为供人使用的激光，而其他95%的光则继续被反射回去产生光放大。
4.2光纤激光器的特点
（1）小型轻量化
光纤可以弯曲，所以可以做到小型轻量化。另外，激光头可以做的很小，可以获得柔软性的系统更新。因此，可以降低装置的购置费用，安装场所也可以较灵活地决定。
（2）不需要维护
固体激光器随着大功率化，由于热透镜效应和热致双折射效应等热效应显著，因此光束品量大幅降低。为此，开发块体固体激光器时，冷却方法必须慎重地设计。另一方面，光纤激光器的冷却方法在100W以内可以用空冷，这是因为作为激光介质的光纤的表面积/体积的比值要比块状固体激光器的棒形介质大4个量级以上，有优良的散热性。
（3）优良的光束品量
从光纤发射的激光NA（数值孔径）较小，容易聚光。由此可以达到大功率密度化，实现高分辨率加工。另外，安装到打标记装置中时，可以使用小型的扫描镜，便可实现全部装置的低价格、高速化。构成内置单模光纤，基本上可以获得橫膜的单一化。
（4）优良的长期稳定性
激光因为是从光纤中射出的，如果光纤是固定的话，光束的空间波动基本上是没有的。不包含自由空间光学系统的全光纤激光器中，由于没有空间光学元件，因此不容易受到尘埃附着和周围环境热的、机械的影响。另外，在激光加工应用
高功率IPG光纤激光器应用简介
高功率IPG光纤激光器应用简介 一、IPG光纤激光器简介 1.光纤激光器简介 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: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。 2.光纤激光器的优势 首先是使用成本低，光纤激光器替代了不稳定或高维修成本的传统激光器。其次，光纤激光的柔性导光系统，非常容易与机器人或多维工作台集成。第三，光纤激光器体积小，重量轻，工作位置可移动。第四，光纤激光器可以达到前所未有的大功率(至五万瓦级)。第五，在工业应用上比传统激光器表现更优越。它有适用于金属加工的最佳波长和最佳的光束质量，而且光纤激光器在每米焊接和切割上的费用最低。第六，一器多机，即一个激光器通过光纤分光成多路多台工作。第七，免维护，使用寿命长。最后，由于其极高的稳定性，大大降低了运行中对激光质量监控的要求。简单来说就是高功率下的极好光束质量，高光束质量下的极好电光效率，高功率高光束质量下的极小体积、可移动性和柔性。 3.IPG简介 全球最大的光纤激光制造商IPG Photonics由Valentin Gapontsev博士于1991年创建，总部设在美国东部麻省。IPG在德国、美国、俄罗斯和意大利设有生产、研发基地，并在全球设有销售和服务网点，覆盖美国、英国、欧洲、印度、日本、韩国、新加坡和中国，并于2006年在美国纳斯达克上市。
十八年来，IPG致力于纵向合成，所有的核心配件均为IPG研发、生产和拥有，同时也是唯一一个能为客户提供高性价比的光纤和半导体激光器的厂家。 高功率是IPG的优势。全世界已有上千台IPG的高功率(>1KW)光纤激光器在汽车制造、船舶制造、海上平台和石油管道、航空航天和技术加工等工业领域中得以应用。在日本，我们向丰田、三菱、住友在内的客户售出了数百台IPG的大功率光纤激光器。这些激光器的成功应用，说明了IPG光纤激光已成熟，且成为制造业的技术工具之一。依近期国内各厂家、院校、集成商对IPG光纤激光器大量的订单来看，光纤激光在中国市场广泛应用的局面会很快到来，尤其是在金属加工(切割、焊接、熔覆、快速成型等)方面。 二、高功率光纤激光应用领域 1.激光焊接领域的应用 光纤激光器的光束质量好，连续功率大，适用于深熔焊和浅表热导焊。连续激光通过调制可提供激光脉冲，从而获得高峰值功率和低平均功率，适用于需要低热输入要求的焊接。由于高功率激光的调制频率高达1万赫兹，因而能够提高脉冲焊接的产能。光纤输送方式使激光能够灵活地集成在传统焊钳、振镜头、机器人和远程焊接系统内。无论采用何种光束输送方式，光纤激光器都具有无可比拟的性能。典型的点焊应用包括依靠振镜头传送光束，从而完成剃须刀片和硬盘挠曲的焊接，从而充分地利用光纤激光器的脉冲功能。光纤激光器的光斑小，焦距长，因而远距离激光焊接的能力大大提高。1-2米的工作间距与传统机器人相比使工作区域提高了数倍，配备光纤激光器的远程焊接工位包括车门焊接、多点焊接和整个车身框架的搭接焊接。光纤激光器焊接的其它例子包括传动部件全熔焊、船用厚钢板深熔焊、电池组密封焊接、高压密封等等。图1展示了光纤激光焊接的效果。
光纤激光器简介
目录 第一章、激光基础 第二章、激光器 第三章、光纤的特性 第四章、光纤激光器 第五章、实验室激光器型号及操作安全
第一章激光基础 1.1什么是激光？ 激光在我国最初被称为“莱赛”，即英语“Laser”的译音，而“Laser”是“Light amplification by stimulated emission of radiation”的缩写。意为“辐射的受激发射光放大”，大约在1964年，根据钱学森院士的建议，改名为“激光”。激光是通过人工方式，用光或者放电等强能量激发特定的物质而产生的光。 激光的四大特性：高亮度、高单色性、高方向性、高相干性。具有高亮度的激光束经过透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其能够加工几乎所有材料。由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。 1.2激光产生的基本理论 1.2.1原子能级和辐射跃迁 按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续的轨道，这些轨道称为能级,如图1-1。 图1-1 原子能级图
当电子在不同的能级时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级称为基态。当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时，原子的能量增 图1-2 电子跃迁图 加，从外界吸收能量。反之，电子从较高能级跃迁到较低能级时，向外界发出能量。在这个过程中，若原子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1）。 1.2.2受激吸收、自发辐射、和受激辐射 受激吸收：处于低能级上的原子，吸收外来能量后跃迁到高能级，则称之为受激吸收。 自发辐射：由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级上的原子总是要自发跃迁到低能级上去，如果跃迁中发出光子，则这个过程称为自发辐射。
光纤激光器文献综述
科技文献检索与应用 ——激光技术在生物医学上的应用 激光自从问世以来,已被广泛应用于生活中，尤其是在生物医学上面。它也给我们人类带来了更大的方面和利益，使更多的不可能成为了可能。下面我将从我搜索到的五篇科技文献中举例说明激光在医学上的重大作用。第一，激光热疗。以激光进行高温治疗的激光热疗法，已成为肿瘤热疗的一种新的有效手段。用于热疗的激光主要使用可见光及近红外激光，但由于该波段激光对组织的穿透有限，因此，激光热疗法具有一定的局限性。研究报道，利用光吸收染料能够选择性地增强肿瘤部位的热损伤，提高肿瘤治疗效果。最新研究表明，一种新颖的纳米材料——碳纳米管，在近红外区域对激光能量具有强烈吸收效应，并将光能量迅速转化为热能，产生的热效应导致了细胞的立刻崩溃。由于生物组织在近红外区的光吸收很弱，因此这种新颖的纳米材料因其独特的近红外光吸收性和光稳定性，能有效地代替光吸收染料在激光热疗中的应用。在研究单壁碳纳米管增强近红外区激光热疗效果的实验中，我们可以发现，单壁碳纳米管明显增强980 nm 激光的杀伤效应，并且此杀伤效应具有光剂量和单壁碳纳米管剂量依赖性。激光治疗组虽能抑制肿瘤生长，但激光穿透能力有限，不能有效地损伤深层肿瘤组织，所以易复发。而激光+ 单壁碳纳米管治疗组相对于激光治疗组，能更加有效地损伤肿瘤及深层肿瘤组织、抑制肿瘤生长。碳纳米管的应用显著地增强了激光热疗的效果。【1】第二，激光诱导击穿光谱。激光诱导击穿光谱在生物医学这一领域中正逐步吸引越来越多的科学家的兴趣，具有重要的应用价值和发展前景。基于激光与固体、液体、气体和气溶胶相互作用的介电击穿产生的等离子体发射称为激光诱导击穿光谱(laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术。用光谱仪直接收集样品表面等离子体产生的发射谱线信号，从理论上可根据发射光谱的强度进行定量分析。在激光脉冲的作用下，LIBS 发射谱线的形成过程如图1 所示。【2】这是激光诱导击穿光谱的原理所在。 LIBS 在生物医学领域已经有了很广泛的应用。例如：分析人体或头发中的矿物元素、测量人体皮肤中Zn 的含量、分析钙化物质、识别和检测生物气溶胶、检测和识别细菌和识别恶性肿瘤组织等。总之，LIBS 技术是一种先进的元素分析技术，经过40 多年的发展，LIBS 技术已经获得了长足发展和广泛应用，目前LIBS 仪器在国外已实现商业化生产。第三，激光针灸。激光针灸就是以低强度激光束直接或聚焦或扩束照射穴位的穴区表面或深部，对穴位进行有效的刺激，起到疏通经络、调节脏腑、行气活血和平衡阴阳等作用，从而达到扶正祛邪、治病保健的目的。与传统针灸相比，激光针灸既除能达到针灸治疗的效果外,，还具有无痛、无菌、安全、易控、可调等特点，因此患者更易于接受。激光的灸疗主要是基于激光生物组织的热效应。【3】由于激光照射穴除
光纤激光器原理
光纤激光器原理 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值， 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输出的激光是一个一个脉
冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说10 ns(纳秒)，一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用t 表示。这种激光器可以发出一连串脉冲，比如，1 秒钟发出10 个脉冲，或者有的就发出一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复(频)率前者为10，后者为1，那么，1 秒钟发出10 个脉冲，它的脉冲重复周期为0.1 秒，而1 秒钟发出1 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为1 秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为E，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如， E = 50 mJ(毫焦)，T = 0.1 秒，那么，平均功率P平均= 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以t，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率(peak power)，例如，在前面的例子中E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值= 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦)，由于脉冲宽度t 很小，它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k=？秒 平均功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t 激光的分类： 激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐，目前工业用红外及紫外激光。例如CO2激光器10.64um红外
关于光纤激光器的研究综述
关于光纤激光器的研究综述 前言 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，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。由于其具有绝对理想的光束质量、超高的转换效率、成本低、高稳定性以及体积小等优点，对传统的激光行业产生巨大而积极的影响。这导致了光纤激光器在近年来成为激光中的热门领域。 本文查找了以“锁模技术”“光纤激光器”“非线性偏振旋转”“超短脉冲”为主要关键字的有关的28篇文献，这些论文主要集中在激光，量子，光子等领域。锁模光纤激光器因其紧凑小巧，成本低和光束质量好等优点，近年来获得快速发展， 从发表论文的统计分析上来看，近三年年发表的文章数量占文章总数的大部分，并呈逐年增加趋势，由此可见近几年学者对光纤激光器的研究呈明显上升趋势。而在这其中大部分文章都涉及锁模光纤激光器与掺杂光纤激光器，尤其是 ++光纤激光器。它们在实用方面的优点对传统的被动锁模光纤激光器，掺33 , Yb Er 激光行业产生巨大而积极的影响，这导致了光纤激光器在近年来成为激光中的热门领域。 正文 1 锁模光纤激光器 锁模光纤激光器因其紧凑小巧、成本低和光束质量好等优点，近年来获得快速的发展。根据其锁模的原理，锁模光纤激光器可分为三类：主动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器，主被动混合锁模光纤激光器。 主动锁模光纤激光器又可分为调制型锁模和注入型锁模两类。调制型主动锁模光纤激光器通常利用LiNbO3晶体作为调制器实现锁模，既可以进行振幅调制也可以进行相位调制，而注入型锁模光纤激光器主要有两种形式：一是利用行波半导体光放大器的非线性增益调制特性实现主动锁模；二是利用光纤的价差相位调制效应进行主动锁模。但主动锁模光纤激光器想走向实用化，稳定性问题是必须要解决的。 被动锁模光纤激光器通常利用半导体的可饱和吸收效应或光纤中的非线性效应作为锁模机制，它一般不需要外接施加的调制信号。半导体可饱和吸收锁模激光器的优点是容易实现激光器的自启动，而且脉冲的重复频率较稳定，脉宽小，但因为其不是全光纤的结构，故在实际应用中响应速度交大。基于光纤非线性的锁模激光器可实现全光纤的结构，克服了半导体可饱和吸收体被动锁模的缺点，响应时间小。 主被动混合锁模光纤激光器是以上两种的有机结合，因为主动锁模光纤激光器的弛豫震荡和超模噪声劣化了输出脉冲的质量，而被动锁模光纤激光器输出脉冲重复率受光纤长度的限制不可能提高，而且不容易调整和控制，所以利用主被动混合的技术，可以优化这些不足，获得最好的效果。这类激光器具有体积小、
激光20W MOPA系列光纤激光器应用介绍2018.2.22
20W MOPA光纤激光器应用介绍 应用工程师：无锡创永激光刘工 微信：1039258953 2016年7月18日
20W MOPA参数表 长脉宽单脉冲能量高，热效应明显，窄脉宽单脉冲能量低，热效应弱；高频率，平均功率高，热效应明显，低频率（10KHz），平均功率低，热效应弱；低扫描速度，低填充密度，激光能量集中，热效应明显，高扫描速度，中等填充密度（0.02mm），激光能量分散，热效应弱。 （4ns400KHz），降功率频率到最大频率，功率趋于稳定。
固定脉宽，100%功率，频率由小增大，峰值功率增大，直至降功率频率 （4ns400KHz），降功率频率到最大频率，峰值功率呈反比例函数递减。 其他脉宽类似。 MOPA光纤激光器，脉宽可调，脉冲频率范围大，应用范围十分广泛，本文中介绍了20W MOPA光纤激光器部分常见应用，用于20W MOPA应用介绍和推广。其中不同材料参数设置有所差异，文中参数 可作为参考，如有不同之处，敬请谅解。
1.1 小米手机壳阳极氧化铝标刻黑色LOGO 1.2 小米充电宝阳极氧化铝标刻白色LOGO 1.3 阳极氧化铝上标刻0.8mmX0.8mm黑色二维码，显微镜下可扫描 2. 304不锈钢标刻 2.1 304不锈钢打彩色LOGO 2.2 304不锈钢名牌标刻黑色 2.3 304不锈钢深雕 3.部分高分子材料标刻 3.1 公牛插座、苹果手机数据线等某些白色高分子材料标刻深色3.2 PA66+、PE等某些黑色高分子材料标刻浅色 4. 电子器件标刻 4.1 电解电容标记黑色参数 4.2 PCB板标刻白色二维码和参数 4.3 电镀电子器件标刻 4.4 IC芯片等电子器件参数标刻 5. 漆剥除 5.1 汽车、电脑、手机等透光件漆剥除 5.2 亚克力瓶、橡胶按键表面漆剥除 5.3 电脑铝制外壳导通处漆剥除 6. 铜制器件标刻 6.1黄铜件标记白色尺寸参数 7. 微弧氧化铝合金标刻黑色名牌 8. 碳钢轴承标记黑色参数 9. 铝箔、锡箔、铜箔切割 10. 氧化锆陶瓷标刻黑色 11. 氧化钛银黑色参数标刻 12. 钛彩色标刻
关于激光器研究(文献综述)
关于锁模光纤激光器的研究 前言 激光器，顾名思义，即是能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，大功率激光器通常都是脉冲式输出。2004 年，Idly 提出了一种自相似脉冲光纤激光器，同时为这种光纤激光器建立了一种数值模型。模型中采用非线性薛定谔方程（NLSE）描述脉冲在正色散光纤中的传输，引入了一个与脉冲强度相关的透过率函数将NPE 锁模机理等效成快速可饱和吸收体（SA）的作用0 模拟发现这种激光器输出的脉冲具有抛物线的形状和线性啁啾，能量可高达10nJ。随着自相似脉冲在实验上的实现，自相似锁模光纤激光器迅速成为超短光脉冲领域的研究热点。用Idly 模型对自相似锁模光纤激光器的研究不断取得新的进展。在此我将对激光和激光器的原理和基于原理而做出的进一步的相关研究（如被动锁模光纤激光器）做一个大致的探讨。
主题 激光器的原理 非线性偏振旋转被动锁模环形腔激光器的结构如图1所示, 激光器由偏振灵敏型光纤隔离器、波分复用器、偏振控制器、输出藕合器、掺yb3+光纤组成。其工作原理为从偏振灵敏型光纤隔离器输出的线偏振光,经过偏振控制器PCI(1/4 λ波片)后变为椭圆偏振光, 此椭圆偏振光可看成两个频率相同、但偏振方向互相垂直的线偏振光的合成, 它们在掺yb3+增益光纤中藕合传输时, 经过光纤中自相位调制和交叉相位调制的非线性作用, 产生的相移分别为 其中n1x 、n1y分别为yb3+光纤沿X、Y方向的线性折射率, n2、l分别为该光纤的非线性折射率系数和长度。 由于两线偏振光的相位差（ΔΦ=Φx-Φy）, 与两偏振光的光强有关, 适当调整光纤偏振控制器PC2（1/4 λ波片 +1/2 λ波片）, 使两偏振光中心
光纤激光器工作原理及发展
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。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。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中．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，因为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时．就会被稀土离子所吸收。这时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高能级转移到基态，并且释放出能量，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
调Q光纤激光器结构示意图和MOPA光纤激光器结构示意图.
调Q光纤激光器和普通的调Q激光器一样，都是在激光谐振腔内插入Q开关器件，通过周期性改变腔损耗，实现调Ｑ激光脉冲输出。Ｑ开关是被广泛采用的产生短脉冲的激光技术之一。 现状： 调Q光纤激光器在许多领域都有着广泛应用，大功率是调Q光纤激光器的一个发展方向。全光纤化也是调Ｑ光纤激光器发展的一个重要趋势，人们陆续研发出一些全光纤的Q开光来代替传统的声光与电光调制器，大大地降低了激光器的插入损失。 用于光纤激光器的调Ｑ技术大致可以分为光纤型调;和非光纤型调Ｑ两类。非光纤型调Ｑ有光调Ｑ、电光调Ｑ、机械转镜调Ｑ和可饱和吸收体调Ｑ等。 非光纤型调Ｑ： 1.声光调Q激光器：
2.电光调Q激光器：
3.可饱和吸收体调Q激光器： 光纤型调Q装置 光纤型调Q装置有光纤迈克尔逊干涉仪调Q、光纤马赫
一曾特尔干涉仪调Q和光纤中的受激布里渊散射（ＳＢＳ）调Ｑ光纤激光器等。下面介绍混合调Q和脉冲泵浦受激布里渊散射混合调Q光纤激光器。 混合调Q光纤激光器 如图所示 得到了峰值功率3.7KW，脉宽2m的脉冲激光输出。 实验中选用掺钕双包层光纤作增益介质，光纤长7.2m,纤芯直径5.1um,数值孔径0.12。内包层为矩形结构,截面尺寸150um*75um。 泵源为800nm、3w激光二极管，有60%的泵光祸合到内包层中。 系统由一个全反镜和一个二向色镜构成驻波谐振腔。在双包层光 纤的输出端接几米长的单模光纤,实现调Q ,得到纳秒量级的激光脉冲。在腔内插人一声光调制器(AQM),使激光脉冲重复频率在6.6KHz-16.4KHZ范围内可调。 脉冲泵浦和受激布里渊散射混合调Q : 在线形腔双包层光纤激光器中,用脉冲泵浦和SBS混合调Q 。 如图所示
光纤激光器综述
摘要：光纤激光器技术是光学领域最为重要的技术之一，作为第三代激光技术的代表，其稳定性好、效率高、阈值低、线宽窄、可调谐、紧凑小巧和性价比高等优点，使得它在光纤传感、光纤通信、工业加工等领域都有着重要的应用。而掺镱双包层光纤激光器是国际上近年来发展的一种新型固体激光器。本文就介绍了这种高功率掺镱双包层光纤激光器，主要介绍了高功率掺镱双包层光纤激光器的概念、发展历史及发展现状、基本原理、优点、实现的关键技术、应用及其广阔的前景。同时总结出了未来光纤激光器的发展方向，并且可以预计光纤激光器最终将可能会替代掉全球大部分高功率CO2激光器和绝大部分Y AG激光器。 关键词：光纤激光器；掺镱双包层光纤激光器；光纤融合技术；激光加工。引言 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，虽然光纤激光器得到了社会各方面的广泛重视，但是光纤激光器并不是新型光器件。1961年，美国光学公司的Snitzer和Koester等在一根芯径300um的掺Nd3+玻璃波导中进行试验观察到了激光现象，并与1963年和1964年发表了多组分玻璃光纤中的光放大结果，提出了光纤激光器和光纤放大器的思想。1975～1985年中有关这个领域的文章较少，不过在这期间许多发展光纤激光器的必须工艺技术已趋于成熟[1]。上个世纪80年代后期，美国Polaroid公司提出了包层抽运技术，之后双包层光纤激光器，特别是掺镱双包层光纤激光器发展非常迅速。1994年，PASK 等首先在掺Yb3+石英光纤中实现了包层抽运，得到了0.5W的最大激光输出。1998年，Lucent技术公司的KOSINKI和INNISS报道了一种内包层截面形状为星形的掺Yb3+双包层光纤激光器，得到了20W的激光输出。1999年，DOMINIC等用4个45W的半导体激光二极管阵列组成总功率为180W的抽运源，在1120nm 得到110W的激光输出。2002年，IPG公司公布了2000W的掺Yb3+双包层光纤激光器。目前，该公司已经推出了输出功率为17kW的掺Yb3+双包层光纤激光器，虽然因为采用的是多组激光合束的方式，致使激光器的光束质量下降很大，但仍然在对功率要求高、光束质量要求不是很高的场合有非常好的应用前景。但如何提高功率，同时又保证光束质量，是当前研究要解决的难题之一。 在国内，关于掺Yb3+双包层光纤激光器的研究起步较晚。从上个世纪年80
高功率光纤激光器发展概况
2009年第12 期 中文核心期刊 高功率光纤激光器发展概况 Survey of high-power fiber lasers ZHANG Jing-song (Electronic communications technology department, Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen Guangdong 518029,China) Abstract :High-power fiber lasers have wide applications in the filed of optical communication,printing,marking,material processing,medicine etc.High-power fiber lasers may substitute conventional lasers large-ly,have new application of laser,broaden the scope of laser industry.The history and recent development of high-power fiber lasers home and aboard are surveyed.The prospect of high-power fiber lasers is discussed.Key words :high-power fiber laser,double-clad fiber,cladding pump 张劲松 （深圳信息职业技术学院电子通信技术系，广东深圳518029） 摘要：高功率光纤激光器以其优越的性能和超值的价格，在光通信、印刷、打标、材料加工、医疗等领域 有着广阔的应用，将会很大程度上替代传统激光器，并开辟一些新的激光应用领域，扩大激光产业的规模。概述国内外高功率光纤激光器的发展历史与现状。展望了高功率光纤激光器的发展前景。 关键词：大功率光纤激光器；双包层光纤；包层泵浦中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2009）12-0008-03 0引言 从1960年第一台激光器（美国Maiman 等首先用红宝石晶体获得了激光输出）问世到现在近50年过去了，激光技术确如人们所期，渗入了各行各业：通信、生物技术、医学、印刷、制造、军事、娱乐业等。在某些领域，它已经成为不可替代的核心技术。但是激光产业规模还不够大，究其原因，不是人类不需要激光，而是传统激光器不好用：成本高、效率低、故障多。 光纤激光器的出现带来了扩大激光产业规模的希望。光纤激光器激光光束质量好，电-光转换效率高，输出功率大；所有的半导体器件及光纤组件都可以融接成一体，避免了元件的分立，可靠性得到极大提高。 1国外高功率光纤激光器发展概况 光纤激光器的最早有关研究可以追溯到20世纪 60年代初期，当时激光器刚刚出现不久，人们对激光 器的研究投入了极大热情，积极研制开发各种新型激光器。1961年，美国光学公司的E.Snitzer 等在光纤激 光器领域进行了开创性的工作，他们利用棒状掺钕（Nd 3+）玻璃波导获得了波长1.06μm 的激光。 20世纪70年代，光纤通信的研究开始起步，新兴 的光纤通信系统对新型光源的需求极大地刺激了激光器的研究工作。但由于人们的注意力集中到迅猛发展的半导体激光器技术上，以及光纤激光器自身的一些当时无法克服的困难，光纤激光器的研究逐渐沉寂下来。尽管如此，仍然取得了一些值得一提的成就。例如，1973年，J.Stone 等成功地研制出能够在室温下连续工作的掺钕光纤激光器，他们采用的半导体注入型激光器终端泵浦方式对以后实用型光纤激光器的研究具有重要的意义。 20世纪80年代，英国Southampton 大学的S.B.Poole 等用MCVD 法成功地制备了低损耗的掺钕和掺 铒光纤，因为掺铒光纤光纤激光器的激射波长恰好位于通信光纤的1.55μm 低损耗窗口，人们开始认识到光纤放大器和光纤激光器在提高传输速率和延长传输距离等方面无疑将给光纤通信带来一场革命。掺铒光纤放大器（EDFA ）得到了迅速的发展并成为一项成熟的应用技术。但是，光纤通信用的光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，一直以来只局限于光通讯等领域；同时由于巨大的行业差距，几乎无人把它与激光 收稿日期：2009-08-31。 作者简介：张劲松（1969-），男，博士，高工，现主要从事光纤激光器、放大器等方面的研究。 ⑧
大功率光纤激光器技术及其应用
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 现于世 第 21 卷 第 6 期 山 东 科 学 Vol. 21 No. 6 2008 年 12 月 SHANDONG SCIENCE Dec. 2008 文章编号: 1002 4026( 2008) 06 0072 06 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 CO 2 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: A The Development of High Power Fiber Laser and Its Applications SONG Zhi qiang ( Institute of Laser , Shandong Academy of Sciences , Jinan 250014, China ) Abstract: The technology of fiber lasers is one of research focuses topics in current optoelectronic area, especially for a high power fiber opt ic laser that has exhibited a tendency substituting traditional solid state laser and CO 2 laser in many areas. We fully expound its principles and some key technologies from its structure, emphasize the technology of a pulse fiber optic laser that is more widely applied, and enumerate its superiorit ies and applications in such areas industrial processing, national defense, medical service, etc. Key words: fiber optic laser; cladding pump; double clad rare earth doped fiber; fiber Bragg grating; 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 60 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 [ 1] [ 2] 器才进入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般涌 [ 3- 5] 。 1 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 LD 、 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( 2007GG1TC04039) 。 作者简介: 宋志强( 1982- ) , 男, 硕士, 主要研究方向为大功率光纤激光器技术。E mail: zhiqiangs@ gmail. com
浅析高功率光纤激光器
浅析高功率光纤激光器 高功率光纤激光器，是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言（功率为mW级），是定位于机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业的高强度光源。高功率光纤激光器巧妙地把光纤技术与激光原理有机地融为一体，铸造了21世纪最先进和最犀利的激光器。即使是在激光技术发达的国家，光纤激光器也是尖端、神秘和充满诱惑的代名词。2002年6月，光纤激光器空降中国，震撼了中国激光学术和产业界，引起了尊至院士的深情关注！ 一、光纤技术 光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底，整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。 光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，主要广泛应用于光纤通讯，其导光原理就是光的全反射机理。普通裸光纤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)和最外部的加强树脂涂层组成。〈见图一〉光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤：中心玻璃芯较细(直径9μm+0.5μm)，只能传一种模式的光，其模间色散很小，具有自选模和限模的功能。多模光纤：中心玻璃芯较粗(50μm+1μm)，可传多种模式的光，但其模间色散较大，传输的光不纯。 用于高功率光纤激光器中的光纤不是普通的通讯光纤，而是掺杂了多种稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特种光纤---双包层光纤。
双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层，对泵浦光而言是多模的，直径和受光角较大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纤内聚集大量的光子。实践证明：横截面为D型和矩形的双包层光纤具有95%的耦合效率因而得到广泛应用。对于脉冲光纤激光器而言，一个重大的课题就是如何提高光纤的耐辐射能力。目前世界上光纤激光器的单脉冲能力可以达到20,000W，一根头发丝大小的光纤如何能承受如此高的激光辐射？所以必须考虑在光纤内掺杂某种特殊离子防止光纤被烧坏。比如掺杂了铈离子的光纤就是在核辐射情况下，既不会因染色而失去透光能力，更不会受热变形。 二、传统固体激光器 激光器说白了就是一个波长转换器---波长短的泵浦光激励掺杂离子转换成长波长的光辐射，它一般由3部分组成：工作物质、谐振腔和泵浦系统。由于光纤激光器本质上属于固体激光器，所以在此仅比较一下传统Nd:YAG激光器的特性。 工作物质： 工作物质是固体激光器的心脏，它的物理性质由基质材料决定，光谱性质由激活离子内的能级结构决定。在YAG单晶体中掺入三价的Nd3+，便构成了目前广泛应用的YAG激光晶体。它主要有如下明显的特点： 1、YAG棒生长速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶体棒的直径为40mm，长180mm，所以激光增益从根本上受到限制，无法实现特高功率激光输出。
光纤激光器研究进展
收稿日期:2008-10-13. 动态综述 光纤激光器研究进展 申人升,张玉书,杜国同 (大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连116023) 摘 要: 光纤激光器具有寿命长,模式好,体积小,免冷却等一系列其他激光器无法比拟的优点,近年来受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。文章概述了光纤激光器典型的工作原理,阐述了其当前主要研究方向以及国内外研究现状,最后提出了光纤激光器产业化的趋势。 关键词: 光纤;光纤激光器;光子晶体光纤;超短脉冲 中图分类号:TN248 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)01-0001-05 Latest Development of Fiber Lasers SH EN Ren -sheng ,ZH ANG Yu -shu,DU Guo -tong (School of Physics and Optoelectronic Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,C HN) Abstract: Fiber lasers ow n lots of advantages co mpared w ith other lasers,including lo ng life,goo d mode,compactness,etc.Recently,fiber lasers have received increasing ly intensive attention in the applications o f electro nic inform ation,industr y processing and national defense technolog y.T he ty pical principle o f fiber laser is explained and resear ch progr esses about fiber lasers are review ed.Furthermore,the future developm ental trends fo r laser fiber are discussed. Key words: fiber;fiber lasers;photonic crystal fiber;ultrashort pulse 0 引言 光纤激光器诞生于20世纪60年代初,它是伴随着光纤通信技术、光纤制造工艺以及与激光器生产技术的日趋成熟而迅猛发展起来的新型器件。由于其在高速率、密集波分复用(DWDM )通信系统、高精度传感技术和大功率激光加工等方面呈现出潜在的技术优势和广阔的应用前景,所以备受世界各国科研工作者的青睐,现已成为国际学术界的热门研究对象。 光纤激光器与其他类型激光器相比较,其优点为:(1)泵浦功率低、增益高、输出光束质量好;(2)与其他光纤器件兼容,可实现全光纤传输系统;(3)使用光纤作为基体,其结构具有较高的比表面积,因而散热好;(4)体积小,携带方便;(5)光纤激光器可以作为光孤子源,实现光孤子通信。 1 原理与分类 1.1 基本工作原理 图1 所示为典型光纤激光器的基本结构。 图1 光纤激光器基本结构 典型光纤激光器主要由三部分组成:产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激发增益介质的泵浦源。其中,增益介质为掺杂稀土离子的纤芯。 当泵浦光从反射镜1(或光栅1)入射到掺杂光纤芯中时,会被所掺杂的稀土离子吸收。吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁,实现/粒子数反 # 1#
光纤激光器的分类
光纤激光器的分类 光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种： （1）按增益介质分类为： a）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。 b）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。 c）稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，（Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶）而制成光纤激光器。 d）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）按谐振腔结构分类为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光纤激光器等。 （3）按光纤结构分类为单包层光纤激光器、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）按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器（脉冲宽度为ns量级）和锁模光纤激光器（脉冲宽度为ps或fs量级）。 （5）根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。 （6）根据激光输出波长的可调谐特性分为可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。 （7）按激光输出波长的波段分类为S-波段（1460~1530 nm）、C-波段（1530~1565 nm）、L-波段（1565~1610 nm）。 （8）按照是否锁模，可以分为：连续光激光器和锁模激光器。通常的多波长激光器属于连续光激光器。 按照锁模器件而言，可以分为被动锁模激光器和主动锁模激光器。 其中被动锁模激光器又有: 等效/假饱和吸收体：非线性旋转锁模激光器（8字型，NOLM和NPR） 真饱和吸收体： SESAM或者纳米材料（碳纳米管或者石墨烯）。
光纤激光器原理与特性详解
光纤激光器原理与特性详解 一、简介 光纤激光器，英文名称为Fiber Laser，是一种以掺稀土元素的玻璃光纤为增益介质来产生激光输出的装置。光纤激光器可在光纤放大器的基础上进行开发，由于光纤激光器中光纤纤芯很细，因此在泵浦光作用下，光纤内部功率密度高，使得激光能级出现“粒子数反转”现象，在此基础上，再通过正反馈回路构成谐振腔，便可在输出处形成激光振荡。
二、结构 光纤激光器的结构类似于传统的固体激光器、气体激光器，主要由泵浦源、增益介质、谐振腔三大部分构成，如下图所示。其中，泵浦源一般为高功率的半导体激光器，增益介质为掺稀土元素的玻璃光纤，谐振腔由耦合器或光纤光栅等构成。 三、原理 在上图中，由泵浦源发出的泵浦光通过一面反射镜耦合进入增益介质中，由于增益介质为掺稀土元素光纤，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经
过谐振腔，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。 四、特点 特点一：由于光纤纤芯直径小，在纤芯内容易形成高功率密度，因此光纤激光器具有较高的转换效率、较低的阙值、较高的增益、较窄的线宽、且可方便高效的实现与当前光纤通信系统的连接。 特点二：由于光纤具有很好的柔绕性，因此光纤激光器具有小巧灵活、结构紧凑、性价比较高、且更易于系统的集成的特点。 特点三：与传统的固体激光器、气体激光器相比，光纤激光器的能量转换效率较高、结构较紧凑、可靠性高、且适合大批量的生产。 特点四：与半导体激光器相比，光纤激光器的单色性较好、调制时可产生较小的啁啾和畸变、且与光纤的耦合损耗较小。
和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，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、可靠性高等特性，易于实现和光纤的耦合。 我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。 对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点： (1)阈值应越低越好; (2)输出功率与抽运光功率的线性要好; (3)输出偏振态; (4)模式结构; (5)能量转换效率;