光纤激光器的原理与结构

光纤激光器的原理与结构光纤激光器发展历史光纤激光器发展历史z1964世界上第一个玻璃激光为钕玻璃光纤激光(Appl.Opt.,3.1964.1182）z1987英南安普顿大学（Elect.Lett.,23.1987.1026）和美国贝尔实验室（Opt.Lett.,12.1987.888）用掺Er单模光纤实现光通讯中的光放大。z1988年提出泵浦光进入包层的思想(OpticalFiberSensors.,PD5.1988)z1993长方形内包层光纤激光器。光－光效率50％，功率5W）（Elect.Lett.,29.1993.1500）z1999用4只45W半导体激光泵浦掺镱双包层光纤，实现110W输出，波长1120nm的激光输出（Elect.Lett.,35.1999.1158）z2002年采用双波长泵浦钕／镱共掺杂的双包层光纤，获得150W激光输出（CLEO,2002）z2003年1月Jena的IPHT报道了其采用双重涂覆的掺Yb光纤的200W光纤激光（SPIE，4974）z2003年2月SouthamptonPhotonics,Inc.（SPI）宣布掺Yb光纤实现了270W（1080nm）单模激光输出z2003年5月，IPG公司宣布实现了300W的单模光纤激光z2003年7月，SPI公司和英国的南安普墩大学合作，实现了600W的光纤激光(M²=1.26)z2004年1月，SPI在PhotonicsWest’2004上，报告单根光纤实现了1千瓦的激光功率输出。后来又实现了1.36kW输出。Opt.Express12,6088-6092(2004)z2005年1月,IPGphotonics,2kW(amplifier)z2008年1月,IPGphotonics,20kW(amplifier)泵浦用的半导体二极管寿命１００Khrs.可连续和脉冲运转，空气冷却。在焦距１５０mm下光斑直径３０μm。其性能已明显优于半导体激光泵浦固体激光器和CO2激光器。从发展态势看，光纤激光器不仅在光纤通信领域有重要的应用而且迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展，这是一类已经取得技术突破，正在向技术的广度和深度迅速发展的、有重要应用前景的激光器。二、光纤激光器的基本结构二、光纤激光器的基本结构z光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同。谐振腔LD耦合光学系统工作物质(增益光纤)准直光学系统谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环泵浦源光纤激光器大致可分为三类:¾稀土元素掺杂光纤激光器掺杂离子可为Nd3+，Er3+，Yb3+，Tm3+等，基质可以是石英玻璃，氟化锆玻璃，单晶等¾染料光纤激光器纤芯、包层或二者加入激光染料¾非线性光纤激光器利用光纤中的SRS，SBS非线性效应产生波长可变换的激光。z光纤激光器的主要特点1)光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点；2)由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统集成、性能价格比高；与固体、气体激光器相比：能量转换效率高、结构紧凑、可靠性高、适合批量生产；与半导体激光器相比：单色性好，调制时产生的啁啾和畸变小，与光纤耦合损耗小。1.1.双包层双包层光纤激光器光纤激光器z双包层掺杂光纤的构形如下图所示内包层内包层光纤芯外包层保护层激光输出泵浦光双包层掺杂光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。在双包层结构中，泵浦光的吸收率和内包层的几何形状和纤芯在包层结构中的位置有关。此外，泵浦光被掺杂稀土离子的吸收率正比于内包层和外包层的面积比。纤芯外包层保护层圆形内包层双包层光纤横剖面内包层D型内包层双包层光纤横剖面下面介绍几种不同几何结构的双包层光纤，其结构如下图所示：偏心型内包层双包层光纤横剖面正方形内包层双包层光纤横剖面长方形内包层双包层光纤横剖面纤芯内包层外包层保护层星型内包层双包层光纤横剖面圆形、偏心、D形、矩形内包层的双包层光纤吸收效率比较加州圣何塞光谱二极管实验室的双包层光纤激光器其连续输出功率大于110W。光-光转换效率达58.3%、实验装置如下图所示:其主要参数为：发射波长1120nm，最大输出功率110W，光束质量（M2）1.1~1.7;包层光纤：170μmX330μm矩形内包层，单模纤芯直径9.2μm。美国IPG公司相继推出输出功率为700W、2KW和10KW的掺Yb双包层高功率光纤激光器产品。为了提高光纤激光器的输出功率，可采用多组宽带区多模半导体二极管作为泵浦源，其基本结构如图所示VV形槽泵浦方式形槽泵浦方式泵浦方式泵浦方式微棱镜泵浦方式微棱镜泵浦方式嵌入镜泵浦方式嵌入镜泵浦方式光栅侧面泵浦方式光栅侧面泵浦方式IPGIPG公司光纤激光器泵浦激光二极管预计寿命公司光纤激光器泵浦激光二极管预计寿命国内研究的最新成果国内研究的最新成果北京交通大学196W激光输出国内研究的最新成果国内研究的最新成果清华大学研制的最大714W的光纤激光器国内研究的最新成果国内研究的最新成果上海光机所研制的最大714W的光纤激光器光纤长21m,内包层D形，NA0.46,芯径38微米，NA0.08国内研究的最新成果国内研究的最新成果2.2.任意形状光纤激光器任意形状光纤激光器双包层泵浦技术取得良好的效果，但由于受包层截面积的限制，影响泵浦功率的进一步提高。日本植田提出“任意形状激光器”（不同光纤结构的光纤激光器）的方案。该方案以掺杂光纤构成圆盘状或圆柱状等不同的光纤介质，泵浦光从边缘注入，这样泵浦光的耦合能利用的面积比纤芯端面和包层端面大得多。低折射率层圆盘主体结构掺杂光纤泵浦光以平面状为例，用折射率与纤维包层相同的材料嵌入光纤的间隙，表面作成光学表面，使泵浦光在圆盘内全反射。下图表示各种形状：盘状、片状、圆柱状、环状、棒状等不同结构。耦合波导光纤盘冷却板输入输出LD六、光子晶体光纤(Photoniccrystalfiber)的发展1987年YABLONOVITCH和JOHN最早提出了光子晶体（Photonicscrystal)概念，1992年RUSELL等人得出了光子晶体光纤（PCF）概念，在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从横截面上看二维的周期结构，孔的中间存在着一个缺陷，光就被限制在这个缺陷中传播。通过控制PCF的空气孔的排列和大小，可以实现不同的光传输出特性。晶体光子光纤的发展双空气包层光子晶体光纤2003年3月，德国科学家LIMPERT等人报道了用2.3m长的空气包层掺镱大模式面积光子晶体光纤激光器获得了80W的输出功率，斜效率78%，M2=1.2