光纤激光器的发展及现状

光纤激光器的发展及现状主要部分(1).光纤激光器的历史(2).光纤激光器的分类(3).光纤激光器结构(4).光纤激光器特点及应用(5).前景与展望1.光纤激光器的历史激光器问世不久,美国光学公司(AmericanOpticalCorporation)于1963年首先提出了光纤激光器和放大器的构思。1966年高锟和Hockham对光纤及其在光纤通信中的应用提出了划时代的新观点。1970年，光纤的传输特性达到了实际应用的水平，同年也实现了半导体激光器室温下连续工作。这两大科技成果为光纤通信奠定了坚实的技术基础。紧凑、高效、风冷使得光纤激光器取代Nd:YAG激光器在工业上的应用，并且在电信方面还存在着新的用途。光纤通信技术从探讨的初期到大规模实际应用大致可分为三个阶段：1966~1976年为探讨与研发阶段1977~1986年为实用化阶段：1986~1996年为大规模应用阶段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：2.光纤激光器的分类(1)按增益介质分类稀土离子掺杂光纤激光器(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)。在光纤中掺入不同的稀土离子．并采用适当的泵浦技术．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器,超短脉冲光纤激光器、大功率光纤激光器。(5)按输出波长分类S一波段(1460～1530nm)、C一波段(1530～1565nm)、L一波段(1565~1610nm)。可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。3.光纤激光器结构光纤激光器主要由泵源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵源由一个或多个大功率激光二极管构成，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1.1掺稀土元素光纤光纤激光器是以掺稀土元素光纤作为增益介质的，十五种稀土元素中比较常用的有源光纤掺杂离子有Nd3+、Er3+、Yb3+（镱）等。近年来，为提高输出功率，作为大功率光纤激光器增益介质的掺稀土元素光纤多采用双包层设计双包层设计：双包层设计：纤芯为相应激光波长的单模掺杂光纤，内包层为折射率较低、尺寸和数值孔径与泵源输出尾纤匹配的石英材料，外包层采用折射率低于内包层的石英或聚合物材料。泵浦光耦合入光纤的内包层，在双包层光纤内全反射的过程中多次穿过纤芯，使泵浦光被掺杂介质吸收，形成粒子数反转，产生激射波长输出。这种包层泵浦技术将有效吸收面积扩大了上百倍，大大地提高了泵浦吸收效率。内包层的作用是：(1)包绕纤芯，将激光辐射限制在内包层中；(2)作为泵浦光的传输通道，当泵光在内包层与外包层之间来回反射过程中，多次穿越纤芯被稀土离子所吸收。包层泵浦技术包层泵浦技术克服了低空间相干性强泵浦光与单个空间模的激光波导之间不易耦合的困难，包层泵浦技术是通过双包层光纤实现的。与普通光纤相比，双包层光纤增加了内包层，其横向尺寸和数值孔径远大于纤芯，而且对于泵浦光是多模的，可以有效提高泵浦光的耦合效率。1.2泵浦结构泵浦结构的设计是高功率光纤激光器的一项关键技术。在初始研究阶段端面泵浦和侧向泵浦结构被广泛采用，端面泵浦技术受包层横截面积的限制影响泵浦功率进一步提高。而侧向泵浦技术由于采用透镜准直聚焦而使系统稳定性下降，不利于实用化。泵浦耦合技术高功率光纤激光器的关键技术之一就是如何将泵浦源输出的光功率有效地耦合到增益光纤中去.常规的光纤激光器采用普通的单模光纤做增益介质，耦合效率极低，很难得到高功率的光纤激光。包层泵浦技术的出现，极大提高了泵浦光的耦合效率，使光纤激光器摆脱了低功率、无较大应用价值的印象，推动了高功率光纤激光器的发展。但要获得几百瓦甚至几千瓦的光纤激光，就需要更高输出功率的泵浦源(一般为半导体激光器阵列)，将半导体激光器阵列输出的几千瓦的激光耦合入一根双包层增益光纤是一件很困难的事，耦合效率也很低。因此，寻找泵浦光进入增益光纤的耦合新技术是一项重要的工作。1.3谐振腔制备合适的光学谐振腔是高功率光纤激光器实用化的又一项关键技术。目前,高功率光纤激光器的谐振腔主要有两种，一种是采用二色镜构成谐振腔，这种方法一般需要在防震光学平台上实现，因而降低了光纤激光器的稳定性和可靠性，不利于该产品的产业化与实用化；另一种是采用光纤光栅做谐振腔.二色镜构成谐振腔：目前多采用法布里一珀罗(F—P)腔结构，即一端采用对泵浦光高透、对激光高反的双色镜做激光全反镜；另一端直接利用光纤端面的菲涅耳反射作输出镜。由于需要采用分立元件，这种谐振腔结构的稳定性和可靠性无法得到保证，不利于光纤激光器的推广使用。光纤光栅:透过紫外诱导在光纤纤芯形成折射率周期性变化的低损耗器件,具有非常好的波长选择特性。光纤光栅优点：1.简化了激光器的结构窄化了线宽;2.同时提高了激光器的信噪比和可靠性，进而提高了光束质量;3.采用光纤光栅做谐振腔可以将泵浦源的尾纤与增益光纤有机地熔接为一体，避免了用二色镜和透镜组提供激光反馈带来的损耗，从而降低了光纤激光器的阈值，提高了输出激光的斜率效率。因此，采用光纤光栅做谐振腔不仅使光纤激光器的结构简单、紧凑，而且极大提高了泵浦光的耦合效率(可达90％)，有利于光纤激光器的实用化。根据对输出激光特性的不同要求可选择单模光纤光栅和多模光纤光栅作为谐振腔的反射镜，单模光纤光栅具有单一的反射峰值和很窄的反射半宽，对应的激光输出为单模，光束质量高，单色性好，但输出功率较低；多模光纤光栅是在多模渐变折射率光纤上通过紫外诱导写入的光纤光栅，能反射多个波长，反射半宽较宽，应用多模光纤光栅做腔镜的光纤激光器输出光束为多模，可实现高功率的激光输出，但输出光光束质量较差。4.光纤激光器特点及应用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，光束质量好和窄线宽等优点。光纤激光器通过掺杂不同的稀土离子可实现380nm－3900nm波段范围的激光输出，通过光纤光栅谐振腔的调节可实现波长选择且可调谐。美国IPG公司已于2004年8月在德国建成10KW掺Yb双包层光纤激光器，该激光器输出光束质量为11.5mm.mrad，输出功率1KW～10KW连续可调，最大功率密度30MW/cm2,输出尾纤直径200μm，这是迄今为止已报道的最高光纤激光器功率输出。而英国，俄罗斯，日本，德国等国也在光纤激光器领域取得许多重要成果。其中英国南安普顿大学研制的1KW单模光纤激光器保持着单模光纤激光器最高输出的纪录与传统的固体激光器相比，光纤激光器体积小，寿命长，易于系统集成，在高温高压，高震动，高冲击的恶劣环境中皆可正常运转，其输出光谱具有更高的可调谐性和选择性。光纤激光器的种种优点使其在光纤通信领域特别是DWDM系统中有重要的应用地位，而且随着各国纷纷加大光纤激光器的研发力度，更多类型的新型激光器相继问世，例如各种喇曼光纤激光器(RFL)．超连续谱光纤激光器、锁模光纤激光器(MLFRL)．双包层光纤激光器、任意形状光纤激光器、多波长光纤激光器、线性啁啾光纤激光器．宽调谐单频光纤激光器等此外，随着紫外光纤光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在紫光、蓝光、绿光、红光及近红外光的波长上转换光纤激光器已可以作为实用的全固化光源而广泛应用于数据存储，彩色显示，医学荧光诊断。远红外波长输出的光纤激光器由于其结构灵巧紧凑，能量和波长可调谐等优点，也在激光医疗和生物工程等领域得到应用。5.前景与展望目前，光纤激光器可实现800nm－2100nm波段的激光输出，最大功率已达到万瓦量级，应用也从光通信扩展到激光加工、激光打标、图像显示、生物工程、医疗卫生等领域。激光器是激光技术的核心．未来光纤激光器的发展方向将会是：进一步提高光纤激光器的性能．如继续提高输出功率、提高光束质量；扩展新的激光波段、拓展激光器的可调谐范围；压窄激光谱宽；开发极高峰值的的超短脉冲(Ps和fs量级)高亮度激光器；进行整体小型化、实用化、智能化的研究而近几年的发展主要集中在3个方面(1)光纤布喇格光栅的性能的提高，让其很好的应用在光纤激光器中：(2)光纤激光器在脉冲和谱线宽度更窄．输出功率更高．调谐范围更广等；(3)光纤激光器发展的更实用化。未来光纤激光器的发展趋势将体现在以下几个方面：（1）光纤激光器本身性能的提高：如何提高输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并使其更加小巧紧凑将是未来光纤激光器领域研究的重点。（2）新型光纤激光器的研制：在时域方面，具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器一直是激光领域研究的热点，高功率飞秒量级脉冲光纤激光器一直是人们长期追求的目标，该领域研究的突破不仅可以给光通信时分复用（OTDM）提供理想的光源，而且可以有效带动激光加工、激光打标及激光加密等相关产业的发展。在频域方面，宽带输出并可调谐的光纤激光器将成为研究热点，近来，一种采用ZEBLAN材料（Zr、Ba、La、Al、Nd）为激光介质的非线性光纤激光器引起了人们的重视，该激光器具有相当宽的带宽和低损耗，可实现波长上转换几个波段，被专家誉为下一代通信材料，如能实现大规模生产将会在激光打印和大屏幕显示领域产生几十亿美元的市场。可以预见，随着相关技术的完善，光纤激光器将向更广阔的领域发展，并有可能成为替代固体激光器和半导体激光器的新一代光源，形成一个新兴的产业。