物理學專業(yè)畢業(yè)論文（設計）光纖激光器的研究進展

1、教學單位 物理與電子信息工程系 學生學號 07036124 編 號 本科畢業(yè)論文（設計） 題 目 光纖激光器的研究進展 班 級 07 級 學生姓名 劉秀秀 專業(yè)名稱 物理學 指導教師 李書婷 2011 年 6 月 15 日 光纖激光器的研究進展光纖激光器的研究進展 【摘要摘要】光纖激光器作為一種新型特殊器件具有與傳統(tǒng)激光器無法比擬的優(yōu)越 特性，如壽命長、模式好、體積小、免冷卻等。最近幾十年來受到了來自電子 信息、工業(yè)加工、生物醫(yī)學工程、國防科技等領域的高度青睞。文章概述了光 纖激光器的工作原理、分類及優(yōu)點，對當前主要研究方向和研究現(xiàn)狀作了詳細 介紹，最后提出了光纖激光器產(chǎn)業(yè)化的方向和前景。 【

2、關鍵詞關鍵詞】光纖激光器 稀土摻雜 包層 超短脈沖 the research progress of fiber lasers abstract: fiber lasers ,as a new type of specially fiber ,own lots of optical properties that the traditional fiber does not do ,such as long life ,good mode ,compactness etc. in recent decades, fiber lasers have received increasingly i

3、ntensive attention in the application of electronic information, industry processing , biomedicine engineering and national defense technology . the typical principle of fiber laser is illuminate and research progress about fiber laser are particular introduced . finally, the future developmental tr

4、ends for laser fiber are discussed. key worods: fiber lasers rare earth doped clad ultrashort pulse 目目 錄錄 1 引言 .1 2 光纖激光器的工作原理、分類及優(yōu)點.2 2.1 基本工作原理.2 2.2 分類.3 2.3 優(yōu)勢.4 3 光纖激光器主要研究進展.5 3.1 高功率光纖激光器.5 3.2 雙包層光纖激光器.6 3.3 窄線寬光纖激光器.7 3.4 多波長光纖激光器.7 3.5 超短脈沖光纖激光器.8 3.6 拉曼光纖激光器（rfl）.9 3.7 鎖模光纖激光器.10 3.8 光子晶體

5、光纖（pcf）激光器.10 4 國內光纖激光器的發(fā)展.11 5 光纖激光器的主要應用領域.12 5.1 軍事領域.12 5.2 工業(yè)領域.13 5.3 生物醫(yī)學工程領域.13 5.4 通信領域.13 6 光纖激光器的發(fā)展前景.14 7 結束語.15 參考文獻.15 致 謝.20 1 1 引言引言 光纖激光器的研發(fā)始于 20 世紀 60 年代，美國光學公司（american optical company）的 e.snizer 等人提出了光纖在激光器方面的設想，不久之后就采用摻 雜的玻璃纖維的方法研制出第一臺光纖激光器，這一歷史標志著激光器的 3 nd 研究進入一個嶄新的階段。80 年代中期英國

6、南安普頓（southampton）大學的研 究人員在光纖中摻入雜質，從此以后光纖激光器的研究進展進入了實用化 3 er 階段。特別是 20 世紀 90 年代后期，伴隨著半導體激光器的摻雜光纖制作技 1 術日益成熟，光纖激光器的研究取得了重大進展，尤其是輸出功率，波長調諧 范圍性能得到了巨大突破。鑒于光纖激光器具有與光纖系統(tǒng)完全匹配的獨特優(yōu) 點，所以它可以更便捷地應用于各種光纖系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)，特別是可實現(xiàn) 穩(wěn)定多波長激光輸出的光纖激光器非常適用于密集波分復用（dwdm）光纖系 統(tǒng)，極大地推動了光纖激光器技術的進步。目前國內外對于光纖激光器的研 2 究方向和熱點主要集中在高功率光纖激光器，高功

7、率光子晶體光纖（pcf）激 光器，窄線寬可調諧光纖激光器，多波長光纖激光器，超短脈沖光纖激光器， 拉曼光纖激光器，雙包層光纖激光器，鎖模光纖激光器等方面。因此，它在通 信、軍事、生物醫(yī)療和光信息處理等領域將有廣闊的應用前景，所以備受世界 各國工作者的青睞，現(xiàn)已成為國際學術界的熱門研究對象。 本文簡要介紹了光纖激光器的基本原理，分類及特點，并就幾種主要的光 纖激光器和國內外近幾年的發(fā)展作了詳細介紹，最后對光纖激光器的應用領域 及前景作了分析。 2 2 光纖激光器的工作原理、分類及優(yōu)點光纖激光器的工作原理、分類及優(yōu)點 2.12.1 基本工作原理基本工作原理 圖 1 所示為典型光纖激光器的基本結構。

8、 泵浦源 隔 離 器 反射鏡 1（或光柵） 摻雜光柵 反射鏡 2（或光柵） 激光輸出 圖圖 1 1 光纖激光器基本結構光纖激光器基本結構 典型光纖激光器主要有三部分組成：一是產(chǎn)生光子的增益介質，二是使光 子得到反饋并在增益介質中進行諧振放大的光學諧振腔，三是激發(fā)增益介質的 泵浦源。其中介質是摻雜稀土離子的纖芯。 當泵浦光從反射鏡 1（或光柵 1）入射到摻雜光纖芯中時，會被所摻雜的稀 土離子吸收。吸收了光子能量的稀土離子會發(fā)生能級躍遷，實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉” 反轉后的粒子經(jīng)弛豫后會以輻射形式再從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，并釋放出能量， 從反射鏡 2（或光柵 2）輸出。 3 e 激發(fā)態(tài) e 激發(fā)態(tài) 1 3

9、3 3 e 泵浦 e 泵浦 激光 2 3 1 4 基態(tài) 激光 e 2 4 e e 基態(tài) 3 3 3 4 圖圖 2 2 三能級和四能級激光能級圖三能級和四能級激光能級圖 光纖激光器又有兩種激射狀態(tài)，三能級和四能級激射。三能級和四能級的 激光能級圖如圖 2 所示，泵浦（短波長高能光子）使電子從基態(tài)躍遷到高能態(tài) e 或者 e ，然后通過非輻射方式躍遷到激光上能級 e 或者 e ，當電子進一 4 4 3 3 3 4 2 3 步從激光上能級躍遷到下能級 e 或者 e 時，就出現(xiàn)激光過程。 2 4 1 3 4 2.22.2 分類分類 光纖激光器的分類按照激射機制、器件結構、輸出激光特性的不同可以有 很多種

10、，以目前光纖激光器技術的發(fā)展狀況來分，具體有以下這些類型： 5 （1）按增益介質分類：稀土離子摻雜光纖激光器（主要是三價元素，如 er,nd,tm,ho,yb,dy,ev,dr等） ，非線性效應光纖激光器 33333333 sm 3 （如光纖受激喇曼散射激光器、光纖受激布里淵散射激光器） ，單晶光纖激光器， 塑料光纖激光器。在光纖中摻入不同的稀土離子，并采用適當?shù)谋闷旨夹g，即 可獲得不同波段的激光輸出。 （2）按諧振腔結構分類：f-p 腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及 “8”字形腔、dbr 光纖激光器、dfb 光纖激光器等。 （3）按光線結構分類：單包層和雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光

11、器、 特種光纖激光器。 （4）按輸出激光的時域類型分類 ：連續(xù)光纖激光器、超短脈沖光纖激光 器、 大功率光纖激光器。 （5）按輸出波長分類：s-波段（14601530nm） 、c-波段（15301565nm） 、 l-波段（15651610nm） ，可調諧單波長激光器，可調諧多波長激光器。 2.32.3 優(yōu)勢優(yōu)勢 光纖激光器以光纖作為激光器工作物質，所以與其它激光器相比具有很多 優(yōu) 勢，具體如下： 67 （1）增益介質長。光纖激光器能方便地延長其長度以使抽運光被充分吸收。 這一性能使光纖激光器能在低抽運功率下運轉，能量轉換效率高。 （2）較高的泵浦效率。通過對摻雜光纖的結構、摻雜濃度、泵浦光強

12、度和 泵浦方式的適當設計，使得激光器的泵浦效率得到明顯的提高。例如采用雙包 層光纖結構，使用低亮度，廉價的多模 ld 泵浦光源就可實現(xiàn)超過 60%的光轉 換效率。 （3）具有很大的“表面積/體積比” 。這樣它的散熱效果好，其工作物質的 熱負荷小，環(huán)境溫度在-20 +70 之間，不需要龐大的制冷系統(tǒng)，只需簡單的 風冷即可。 （4）可在惡劣的環(huán)境下工作。遇到高沖擊、高震動、高溫度和有灰塵的條 件下均可正常運轉，不受外界干擾。 （5）耦合效率高，利于兼容。光纖在光纖激光器中既是增益介質，又是傳 輸介質，因此有利于與其它光纖元件的兼容，可方便地應用于光纖通信和傳感 系統(tǒng)。 （6）易實現(xiàn)單模、單頻運轉和

13、超短脈沖（fs 級） 。 （7）外形緊湊，易于集成。由于光纖具有較好的柔韌性，所以光纖激光器 可以做的相當小巧靈活，便于系統(tǒng)間集成，性價比高。 （8）激光器可在很寬光譜范圍內（4553500nm）設計與運行，應用范圍廣 泛。 3 3 光纖激光器主要研究進展光纖激光器主要研究進展 光纖激光器作為第三代激光技術的代表，各國科學家對于它的研究方向主 要集中于高功率光纖激光器，光子晶體光纖（pcf）激光器，窄線寬可調諧光 纖激光器，多波長光纖激光器，超短脈沖光纖激光器，拉曼光纖激光器，雙包 層光纖激光器，鎖模光纖激光器等方面。 3.13.1 高功率光纖激光器高功率光纖激光器 高功率光纖激光器因具有效率

14、高、體積小、冷卻溫度低和光束質量好等優(yōu) 勢，所以在空間激光通信、工業(yè)加工、生物醫(yī)療工程，國防科技上有相當重要 的應用價值。 高功率光纖激光器發(fā)展的主要內容之一是如何提升單根光纖激光的輸出功 率。1999 年美國的 v.dominic 等人用 4 個 45w 的半導體激光器從光纖兩端 8 泵浦，獲得了 110w 的單模連續(xù)激光輸出?？墒钱敃r由于受到光纖和泵浦源技 術的限制，在隨后的時間里，單光纖激光輸出功率沒有獲得突破性進展。2003 年，隨著大規(guī)模光纖技術和高功率泵浦源技術的發(fā)展，光纖激光器的輸出功率 快速提高。后來，英國南安普頓大學報道了 1.36kw 連續(xù)波光纖激光器。 9 2004 年美

15、國的 ipg 公司研制出了 10 萬瓦的光纖激光器和 1.7 萬瓦的工業(yè)光纖 激光器生產(chǎn)線。至此以后，出現(xiàn)了各種新型的高功率光纖激光器，如光纖碟形 激光器（disk laser） ，光子晶體雙包層光纖激光器，多纖芯雙包層光纖激光器。 單根光纖激光器的連續(xù)輸出功率已超過 1kw，具備了實用化的能力，從而大大 擴大了光纖激光器的應用領域。 由于單根光纖輸出的激光功率畢竟有限，于是科學家想到利用激光光束組 合技術實現(xiàn)輸出功率的提高。據(jù)報道，其研究方法有兩種：一是相干光束組合， 二是非相干光束組合。因光纖激光器的相干組合技術可以將多路激光束相干疊 加，在提升輸出總功率的同時，保持了光纖激光器良好的光束

16、質量，所以該技 術成為了高功率光纖激光器研究中很有前途的發(fā)展方向。 10 3.23.2 雙包層光纖激光器雙包層光纖激光器 為了提高光纖激光器的輸出功率，就要提高泵浦抽運光的吸收效率。1988 年 snitzer 等人提出了雙包層的泵浦技術使得這一想法成為可能。90 年代人 11 們主要集中精力研究 nd 摻雜的雙包層光纖激光器，但由于 nd 的吸收帶非常窄， 對泵浦源的波長穩(wěn)定性和精度要求較高，而 yb 具有很寬的吸收帶，還有無受 激態(tài)吸收，能級結構簡單等優(yōu)點，至此，人們認識到 yb 摻雜光纖激光器的發(fā) 展前景。到了 21 世紀 yb 摻雜雙包層光纖激光器獲得了巨大的突破，已經(jīng)出 12 現(xiàn)商用

17、功率達幾百甚至幾千瓦的光纖激光器。雙包層光纖激光器是一種新型的 光纖激光器，其優(yōu)點在于不需要將泵浦能量直接耦合到模場直徑相對較小的光 纖中去，而是采用成本低、大模場（多模） 、高功率的半導體激光器作為泵浦源。 雙包層光纖激光器將多個光纖激光器的輸出合并以提高功率，以滿足工業(yè)和軍 事需要。 13 雙包層光纖由纖芯、內包層、外包層和保護層四個層次組成，結構如圖 3 所示。內包層的作用：一是包繞纖芯，將激光輻射限制在纖芯（纖芯中摻入稀 土元素鉺、鐿、銣等，與單模光纖纖芯一樣，具有很大的折射率，可以用來傳 輸單模信號光）內；二是將泵浦光耦合到內包層，使之在內包層和外包層之間 來回反射，多次穿過單模纖芯

18、而被吸收，這樣在纖芯中傳播光的比例就會增加。 它的光源是有多個多模激光二極管（ld）組成,外包層的折射率最小。 14 1 4 3 2 激光 泵浦源 圖圖 3 3 雙包層光纖激光器結構圖雙包層光纖激光器結構圖 3.33.3 窄線寬光纖激光器窄線寬光纖激光器 15 窄線寬光纖激光器以線寬窄，低噪聲等優(yōu)點廣泛應用于光纖傳感、光纖遙 感、高精度光譜及光纖通信領域。它的實現(xiàn)方法一般是在光纖纖芯里寫入 bragg,作為激光腔鏡從而完成激光的窄帶輸出。這是 1991 年 ball 等人第一次在 摻鉺光纖中采用 bragg 反射鏡（fbr） ，1550nm 激光的單模輸出的基礎上又一 次飛躍。 窄線寬光纖激光

19、器的早期研究工作主要集中于固定波長的窄線寬光纖激光 器上，振蕩波長由固定波長響應的濾波器控制，如布拉格光柵，其反射中心波 長由光柵周期決定，反射寬帶由光柵長度決定。除了通過對光纖光柵施加應力 或溫差來改變振蕩波長外，還可以通過旋轉光柵、調節(jié)腔內標準具角度，利用 聲光濾波器、電調液晶標準具等方式來實現(xiàn)。 窄線寬光纖激光器常見的腔體結構有線性腔結構和環(huán)形腔結構。其中，線 性腔結構簡單，工作穩(wěn)定，但是由于駐波場存在空間燒孔效應，不利于實現(xiàn)單 頻率運轉，常常把腔體變短，從而導致抽運轉化效率低。而采用環(huán)形腔結構的 窄線寬光纖激光器則可以消除空間燒孔效應，并實現(xiàn)單頻運轉，其腔體較長， 增益高。2007 年

20、光庫通訊采用美國核心專利技術和高濃度鉺/鐿離子共摻有源光 纖，向市場推出了一款超窄線寬光纖激光器，其腔體長度小于 5cm，線寬小于 3khz，高達 150mw 的輸出功率。 3.43.4 多波長光纖激光器多波長光纖激光器 多波長光纖激光器在 dwdm 光纖通信系統(tǒng)、分布式多波長光纖傳感系統(tǒng)、 光學測試、光譜學等方面有著廣泛應用的前景。多波長光纖激光器是利用光 16 纖光柵反饋和濾波機理實現(xiàn)多波長選擇的。 多波長光纖激光器是近年來才開始研究的。2002 年 r.slavik 等人報道了 17 一種在腔內放置聲光頻移器的多波長摻鉺光纖環(huán)形激光器，其在室溫條件下實 現(xiàn)了 c 波段的 15381548

21、nm 之間 13 條譜線或者 15431560nm 之間 18 條譜線 輸出。2003 年 k.cheng 等人報道了一種室溫條件下超低損耗的全光纖多頻激 18 光器，實現(xiàn)了 18 通道輸出。2006 年，y.g.liu 等人在常規(guī)摻 er環(huán)形激光器 3 上實現(xiàn)了室溫下多波長激光的輸出。2007 年，yan m 等人利用級聯(lián)的長周期 19 光柵做諧振腔濾波器得到 1556.0nm,1558.6nm 和 1561.2nm 三個波段的激光輸出 。 20 多波長 edfl 具有較窄的增益頻譜，限制了更多波長的激光振蕩，dwdm 技術的日益成熟對多波長激光器的性能也提出了很高的要求。但由于增益介質 和

22、設計仍是制作高性能、低成本多波長光纖激光器的關鍵，所以如何改善目前 多波長 edfl 中 edf 過長而產(chǎn)生的對環(huán)境敏感等因素和如何使得輸出波長更加 穩(wěn)定且易于調節(jié)，是以后多波長 edfl 研究發(fā)展的趨勢。 21 3.53.5 超短脈沖光纖激光器超短脈沖光纖激光器 超短脈沖光纖激光器也是目前光纖激光器所研究的一個方向，它主要利用 被動鎖模技術。光纖激光器利用鎖模原理產(chǎn)生脈沖使激光輸出，當光纖激光器 在增益帶寬內大量縱模上運轉時，當每個縱模相位同步，任意相鄰縱模相位差 為常數(shù)，這時就能實現(xiàn)鎖模。光纖激光器分為主動鎖模和被動鎖模光纖激光器， 主動鎖模調制能力限制了鎖模脈沖的寬度，被動鎖模光纖激光器

23、是利用光纖或 者其它光學元件的非線性光學效應實現(xiàn)鎖模的。激光器結構簡單，在一定范圍 下不需要任何調制元件就可以實現(xiàn)自啟動鎖模工作。 22 2006 年，a.polynkin 等人報道了一種新的被動鎖模超短腔高平均功率皮 49 秒級短脈沖光纖激光器，獲得穩(wěn)定的重復率達 550mhz 的脈沖激光輸出（平均 輸出功率為 500775mw） 。2007 年 sumimura 等人利用啁啾光柵做諧振腔得 23 到了穩(wěn)定的、單模輸出的飛秒鎖模光纖激光器。據(jù)報道，皮秒光纖激光器現(xiàn)已 經(jīng)突破了 100w 壁壘，并有可能成為未來高速自由空間系統(tǒng)的中心軟件，用于 衛(wèi)星，甚至行星間的通信。 24 3.63.6 拉曼

24、光纖激光器（拉曼光纖激光器（rflrfl） 受激拉曼散射（srs,stimulated raman scattering）是光纖非線性光學中一 個很重要的非線性過程，它是由高強度的激光（超過一定閾值）與光纖介質中 的分子振動模式（光學聲子）相互作用產(chǎn)生的一種非線性光學效應。 當前 rfl 的主要增益介質是鍺硅光纖和磷硅光纖，它們的拉曼頻移分別為 440cm和 1330cm。近年來，由于 rfl 的研究進展迅速，新結構、新用途的 11 激光器相繼出現(xiàn)，使得 rfl 各方面的性能大為提高，成為了商用產(chǎn)品，如 25 美國 ipg、法國 keosys 等公司均可提供 5w 的拉曼放大泵浦模塊，并被認為

25、是 用于拉曼放大和遠泵 edfa 放大應用的合理光。 阿爾卡特公司在 ofc 2002 會議上曾報道了一種可重構三波長的 rfl 結構， , 得到了輸出波長分別為 1427nm,1455nm 和 1480nm 的輸出，其用于 c+l 波段的 拉曼放大器中。2003 年南開大學的蘇紅新等人報道了內腔級聯(lián) rfl 輸出特 26 性的實驗結果。2004 年深圳大學的杜戈果等人報道了利用國產(chǎn)鍍膜鏡作為諧 27 振腔鏡實現(xiàn)的一級拉曼激光輸出的實驗結果。同年，skubchenko 等人研制出 28 一種高功率的全光纖保偏 rfl；abeeluck 等人利用高非線性色散位移光纖獲 29 得了 3.2w，超過

26、 544nm 的超連續(xù)輸出；sim 等人在 1539nm 實現(xiàn)了輸出 30 13.2w，轉換效率為 32.5%的激光，是目前在 14001600nm 波段已報道的功率 最高的級聯(lián) rfl。 2006 年，新加坡的 g ning 等人在環(huán)型、線型兩種諧振腔中使用啁啾光纖 布 拉格光柵作為選頻器件，在室溫下均獲得了 1550nm 波段的波長間距為 0.8nm、 各波長輸出功率均衡的 10 波長拉曼光纖激光器。 31 2007 年，y emori 等采用 65m 高飛線性鍺硅光纖作為增益介質，利用五級 級聯(lián)激光器結構，用波長為 1117nm 摻鐿光纖激光器的五級級聯(lián)拉曼光纖激光 器，在 1480nm

27、 獲得了輸出功率高達 41w 的激光輸出，這是目前級聯(lián)拉曼光纖 激光器所報道的最高輸出功率。 32 3.73.7 鎖模光纖激光器鎖模光纖激光器 采用鎖模技術是產(chǎn)生超短脈沖實現(xiàn)未來高速、大容量光纖通信的一條重要 途徑。由于鎖模光纖激光器具有體積小、結構靈活、成本低等特點在光通信網(wǎng) 絡、超快光譜、材料加工、非線性光學等方面應用十分廣泛。光纖激光器中采 用鎖模技術常分為三種：一是主動鎖模，二是被動（自動）鎖模，三是混合鎖 模。由于主動鎖模調制能力有限，限制了鎖模脈沖的寬度，脈沖寬度通常為 ps 量級，被動（自動）鎖模光纖激光器是利用光纖或其它元件中的非線性光學效 應實現(xiàn)鎖模的，激光器結構簡單，在一定

28、條件下不需要插入任何調制元件就可 以實現(xiàn)自啟動鎖模工作。 33 20 世紀 90 年代后期，s.t.cundiff 等人采用可飽和布拉格反射器（sbr） 設計出鎖模光纖激光器，它能產(chǎn)生脈寬為 400fs 的弧子脈沖輸出。之后， 34 b.c.collings 等人將可飽和布拉格反射器置于短 f-p 腔內實現(xiàn)了鎖模輸出。 35 2003 年 avdokhin等人報道了一種全光纖結構的“8”字形腔激光器，在 36 此激光器中利用一段較短的高增益雙包層摻雜 yb光纖進行放大，應用多孔光 3 纖進行色散補償，在 1065nm 波段實現(xiàn)了 850fs 的鎖模脈沖輸出。 2004 年 lin 等人報道了用

29、 fabry-perot 半導體激光器作為損耗調制器的有 理諧波鎖模激光器，利用工作在閾值以下的半導體激光器取代調制器，從而實 現(xiàn)主動鎖模。 37 2006 年，周曉芳等人設計了一種基于非線性偏振旋轉效應的被動鎖模激 38 光器，它用光纖線圈結構作為偏振控制器，利用光纖的彈光效應改變光線中的 雙折射，從而控制光纖中光波的偏振態(tài)。 3.83.8 光子晶體光纖（光子晶體光纖（pcfpcf）激光器）激光器 光子晶體激光器主要體現(xiàn)在其獨特的光學性質和巧妙地設計，它主要利用 了光子晶體光纖的零色散點選擇近紅外和可見光區(qū)域這一特點制成。與傳統(tǒng)的 光纖相比較，光子晶體光纖（pcf）具有如下特點：無限單模特性

30、、超連續(xù)性、 高雙折性、可控色散特性和大模場面積。 2000 年，wadsworth 首次報道了光子晶體光纖激光器（pcfl） ，2001 年， 英國巴斯大學 wadsworth 等人實現(xiàn)了雙包層 pcf 結構，雙包層光子 pcf 摻雜 離子為 yb，利用 20w 光纖耦合二級管陣列泵浦該光纖，獲得了 3.9w 的輸出 3 功率，斜率效率為 21%，實現(xiàn)了單橫模運轉。2003 年，德國和丹麥的研究 39 人員分別報道了波長為 1070nm、輸出功率達到 80w、斜率效率為 78%的高功 率 pcfl 激光器。2005 年德國 ipht jena 研究所制備出輸出功率為 1.53kw 40 的單

31、模雙包層 pcf，光束質量小于 3,纖芯直徑 31,輸出功率為m 1530w。2007 年，丹麥 photoniccrystal fibre 公司制備出雙包層鐿摻雜光纖， 41 單根光纖的連續(xù)輸出功率達 2.5kw。2008 年，國內西安光機所 kailiang 42 duan 等人報道了最大連續(xù)輸出功率為 95.8w，耦合效率為 90.2%的激光輸出。 43 4 4 國內光纖激光器的發(fā)展國內光纖激光器的發(fā)展 我國光纖激光器的研制并不落后，已經(jīng)有好幾個單位實現(xiàn)了連續(xù) 200w 以 上的輸出功率。 2002 年南開大學報道了摻雜 yb雙包層光纖激光器中得到了 4.8ns 的自調 3 q 脈沖輸出

32、和混合調 q 雙包層光纖激光器中得到峰值功率大于 8kw，脈寬小 于 2ns 的脈沖輸出。 2003 年南開大學報道了利用脈沖泵浦獲得 100kw 峰值功率的調 q 脈沖， 以及得到 60nm 可調諧的調 q 脈沖。 2003 年 11 月 20 日報道，上海科學家在激光領域取得新成果，成功開發(fā)出 輸出功率達 107w 的光纖激光器。其激光器全稱為“高功率摻鐿雙包層光纖激 光器” ，與目前已有的激光器相比它的維護費用和功率消耗都要低的多，壽命是 普通激光器的幾十倍。該課題的負責人之一樓祺洪研究員告訴記者，激光打印 有著廣泛的應用前景，與市民生活直接相關的如食品的生產(chǎn)日期、防偽標識等， 若以激光

33、打印代替現(xiàn)在的油墨打印清晰度高、永不褪色 、難以仿冒、利于環(huán)保， 具有國際流行的新趨勢。上海科學家研制的光纖激光器使光纖激光器輸出功率 有邁進了一個新臺階，最大輸出功率達 107w，已經(jīng)遙遙領先于全國同行。 2004 年，南開大學又報道了連續(xù)泵浦 206kw 峰值功率的調 q 脈沖。 2004 年 12 月 3 日，烽火通信報道，繼推出激光輸出功率達 100w 以上的 雙包層摻鐿光纖后，經(jīng)過艱苦的攻關再傳佳績，將該類新型光纖的輸出功率成 功提到 440w，達到國際領先水平。 2005 年西安光電機所在第 17 界激光會議上，報道了在連續(xù)輸出，光子晶 體光纖激光器方面得到了 98w 的激光輸出。

34、 44 2007 年，趙衛(wèi)等人報道了一種被動鎖模摻 yb“8”字形腔光纖激光器。 453 在此光纖激光器中應用了一個非 3db 耦合器，并用衍射光柵對腔內色散進行補 償。 從整體來看，盡管我國目前與國外研究光纖激光器的水平還存在著一定的差距，但是 落后時間并不長，只要我國光纖器件的研制生產(chǎn)單位積極開展相關產(chǎn)品的研制開發(fā)工作， 我們是能夠在光纖激光器的研制生產(chǎn)方面站在國際前列的。 5 5 光纖激光器的主要應用領域光纖激光器的主要應用領域 46 隨著光纖激光技術的迅速發(fā)展和逐漸成熟，光纖激光器的優(yōu)勢已被人們所 認識，市場需求和應用也進一步擴大。幾乎包括了國民經(jīng)濟的所有領域，被譽 為“制造系統(tǒng)共同的

35、加工手段” 。具體有： 5.15.1 軍事領域軍事領域 窄線寬光纖激光器是一種在軍事領域中應用非常廣泛的光纖激光器，尤其 是高精度激光目標指示和超遠距離測距技術。目前一般的商業(yè)激光測距儀的測 量距離最遠為 1020km，這是由于它的動態(tài)范圍和測量敏感度限制所致，其性 能無法滿足軍方 isr（情報、監(jiān)視、偵查）綜合平臺的需求。基于頻率調制連 續(xù)波長技術原理，光庫通訊研制出一種 1550nm 超窄線寬光纖激光器。能廣泛 應用于幾百公里的激光目標指示和激光測距，從而大大降低了搭建 isr 平臺的 成本。 目前，高功率雙包層光纖激光器具有效率高、尺寸小、重量輕、成本低等 優(yōu)點，也是軍事國防激光武器發(fā)展

36、中最具有潛力的方向。 研制激光武器一直是軍事領域中的焦點，據(jù)報道，2006 年美國海軍提出 在 10 年內研制出一種 100kw，機載光纖激光器吊艙。另據(jù)美國軍事與航空航 天電子網(wǎng)報道，美國空軍人員于 2007 年開始探索先進光纖激光器系統(tǒng)的創(chuàng)新技 術與方法。所以，光纖激光器有可能成為未來武器級固態(tài)激光器系統(tǒng)的候選方 案。 5.25.2 工業(yè)領域工業(yè)領域 脈沖光纖激光器以其優(yōu)良的光束質量，可靠性，最長的面維護時間，最高 的整體電光轉換效率，脈沖重復頻率，最小的體積，無需水冷的最簡單、最靈 活的使用方式，最低的運行費用使其成為在高速、高精度激光標刻方面唯一的 選擇。 光纖激光成型或折曲是一種用于

37、改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術，集中加 熱和快速自冷切導致激光加熱區(qū)域的可塑性變形，永久性改變目標工件的曲率， 使用激光處理的微彎曲遠比其他方式具有更高的精密度，同時，這在微電子制 造是一個很理想的方法。 隨著光纖激光器功率的不斷攀升，光纖激光器在工業(yè)切割方面得以被規(guī)模 化應用。比如用快速斬波的連續(xù)光纖激光器微切割不銹鋼動脈管，而且光纖激 光器現(xiàn)已用在汽車和船舶 ic 封裝等產(chǎn)業(yè)中。 5.35.3 生物醫(yī)學工程領域生物醫(yī)學工程領域 隨著紫外光線光柵寫入和包層泵浦技術的發(fā)展，輸出波段在紫光、藍光、 綠光、紅光及近紅外光的波長上轉換光纖激光器已可以作為實用的全固化光源 而廣泛應用于數(shù)據(jù)存儲，彩色顯示

38、，醫(yī)學熒光診斷，皮膚美容等。隨著光纖激 光器進一步的研究，將會更加廣泛的應用于醫(yī)學診斷（如細胞影像） 、藥檢、 dna 排序、細胞分裂以及蛋白質分析方面。 5.45.4 通信領域通信領域 光纖激光器以其獨特的優(yōu)勢帶動了光纖通信的發(fā)展，是實現(xiàn)光弧子通信的 關鍵技術，它不僅可以實現(xiàn)連續(xù)的激光輸出，而且還可以產(chǎn)生皮秒甚至飛秒的 超短脈沖，能夠實現(xiàn)高速、大容量和高質量的信息傳輸，為實現(xiàn)全光通信系統(tǒng) 提供保障。 6 6 光纖激光器的發(fā)展前景光纖激光器的發(fā)展前景 由于光纖激光器以光纖作為波導介質，耦合效率高，易形成高功率密度， 散熱效果好，無需龐大的制冷系統(tǒng)，具有高轉換效率、低閾值、光束質量好、 窄線快和

39、設計靈活等優(yōu)點，已經(jīng)成為世界各國研究更深層次激光技術的重要發(fā) 展方向。目前，采用多種結構和摻雜方式的光纖增益介質、靈活的側向多模泵 浦方式使得單根光纖激光器的輸出功率即可達到 1kw 的量級。而且其應 47 用范圍也從光通信擴展到工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、生物醫(yī)療等方面，備受各國政 府、產(chǎn)業(yè)界和科學研究機構的重視，可以說光纖激光器是目前光電子技術領域 研究的熱門項目之一。 未來光纖激光器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下兩個方面： 48 （1）光纖激光器本身性能的提高。如何提高輸出功率和轉換效率，優(yōu)化光 束質量，縮短增益光纖長度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并使其更加小巧精致是未來光纖 激光器領域研究的重點。高性能的單波長

40、、多波長光纖激光器在光纖傳感、光 通信等領域的應用前景十分可觀。 （2）新型光纖激光器的研制。在時域方面，具有更小占空比的超短脈沖鎖 模光纖激光器一直是光纖激光器領域的熱點，高功率飛秒量級光纖激光器一直 是人們長期追求的目標，該領域研究的突破不僅可以給光通信時分復用 （otdm）提供理想的光源，而且可以有效帶動激光加工、激光打標及激光加 密等相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在頻域方面，寬帶輸出并可調諧的光纖激光器將成為研 究熱點。近來一種采用 zeblan 材料（zr、ba、la、al、nd）為激光介質的 非線性光纖激光器引起了人們的重視，該激光器具有相當寬的帶寬和低損耗， 可實現(xiàn)波長上轉換幾個波段，被專家譽

41、為下一代通信材料。2003 年激光器的生 產(chǎn)價值是 1.41 億美元，到 2008 年增長到 14.71 億美元，到后續(xù)幾年如能實現(xiàn)大 規(guī)模生產(chǎn)將會在激光打印和大規(guī)模顯示領域產(chǎn)生幾十億美元的市場份額。 7 7 結束語結束語 光纖激光器由于其價格低廉，制作靈活，結構簡單，便于耦合，在各個領 域得到了很廣泛的應用，被世界各國作為一種新型的主流器件來研究，而且在 最近幾十年取得了巨大的突破。光纖激光器展現(xiàn)出的巨大功能和激光技術的逐 步成熟，推動了相關國民經(jīng)濟的發(fā)展和深刻變革。我們相信，通過各個國家的 互相合作，再結合先進的科學技術，生產(chǎn)出更高性能，更大功率的光纖激光器 不再是夢想，不久的將來，我們會

42、看到在整個國際科技界中涉及光纖激光器的 技術領域將會越來越多。 參考文獻參考文獻 1haus h a.stretched-paulse mode-locking in fiber ring laser. theoryand experimentj.ieee journal of quantum electrnoics,1995,31(3);591-598. 2richardson d j, minelly j d,et al. fiber laser systems shinebrightly j.laser focusworld, 1997,(9);87-96. 3申人升，張玉書，杜國同.

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