激光加工技術(shù)1

1、1 激光加工技術(shù)激光加工技術(shù) 光纖通信系統(tǒng)中的激光器和光光纖通信系統(tǒng)中的激光器和光 放大器放大器 2 7.1 7.1 激光加工的一般原理激光加工的一般原理 1.1.激光加工大都基于光對非透明介質(zhì)的熱作用，也即吸收光能引起的熱效應。激光加工大都基于光對非透明介質(zhì)的熱作用，也即吸收光能引起的熱效應。 因此激光光束特性、材料對光的吸收作用以及導熱性等有重大影響；因此激光光束特性、材料對光的吸收作用以及導熱性等有重大影響； 1 1）光束特性）光束特性 例：一個例：一個COCO2 2激光器，設(shè)聚焦前透鏡面上光斑尺寸激光器，設(shè)聚焦前透鏡面上光斑尺寸 ，有效截面輸出功，有效截面輸出功 率為率為200W200

2、W，透鏡焦距，透鏡焦距f f10mm10mm，求透鏡后焦點處光斑有效截面內(nèi)的平均功率密，求透鏡后焦點處光斑有效截面內(nèi)的平均功率密 度？度？ mm10 2 2）材料的反射、吸收和導熱性）材料的反射、吸收和導熱性 光波照射在不透明的物體表面時，光波照射在不透明的物體表面時， 一部分被反射，一部分被吸收；不一部分被反射，一部分被吸收；不 同材料的反射率和波長有密切的關(guān)系；同材料的反射率和波長有密切的關(guān)系； 22 22 )1 ( )1 ( k k R 設(shè)入射到材料表面的光強為設(shè)入射到材料表面的光強為I I0 0，材料吸收系數(shù)為，材料吸收系數(shù)為 ，則進入到材料內(nèi)部，則進入到材料內(nèi)部 距表面距離為距表面距

3、離為x x處的光強為處的光強為 x eII 0 3 7.1 7.1 激光加工的一般原理激光加工的一般原理 K P T 0 2 2）材料的反射、吸收和導熱性）材料的反射、吸收和導熱性 2.2.激光加工舉例激光加工舉例 1 1）激光焊接）激光焊接 2 2）激光打孔）激光打孔 3 3）激光切割）激光切割 激光正入射，在光點中央的溫度上升值激光正入射，在光點中央的溫度上升值 T T與被吸收的光功率、導熱系與被吸收的光功率、導熱系 數(shù)之間的關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系 4 一、激光焊接是一種材料連接，主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。一、激光焊接是一種材料連接，主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。 其優(yōu)點：其優(yōu)點： 7.2

4、7.2 激光焊接激光焊接 1 1）用激光很容易對一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強）用激光很容易對一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強 的材料實施焊接。的材料實施焊接。 2 2）在激光焊接過程中無機械接觸）在激光焊接過程中無機械接觸, ,易保證焊接部位不因熱壓縮而發(fā)生變形易保證焊接部位不因熱壓縮而發(fā)生變形 3 3）激光束易于控制的特點使得焊接工作能夠更方便的實現(xiàn)自動化和智能化。）激光束易于控制的特點使得焊接工作能夠更方便的實現(xiàn)自動化和智能化。 二、圖二、圖7-197-19所示為一種顯象管陰極芯的激光焊接設(shè)備原理。所示為一種顯象管陰極芯的激光焊接設(shè)備原理。 圖圖

5、7-197-19陰極芯的激光焊接設(shè)備原理圖陰極芯的激光焊接設(shè)備原理圖 1:1:光束分束器；光束分束器；2:2:聚焦透鏡；聚焦透鏡；3 3：陰極芯：陰極芯 5 7.2 7.2 激光焊接激光焊接 三、激光熱導焊三、激光熱導焊 1 1）激光熱導焊的原理）激光熱導焊的原理 2 2）激光熱導焊的工藝以及部分參數(shù)）激光熱導焊的工藝以及部分參數(shù) 熱導焊時，激光輻射能量作用于材料表面，激光輻射能在表面轉(zhuǎn)化為熱量。表面熱導焊時，激光輻射能量作用于材料表面，激光輻射能在表面轉(zhuǎn)化為熱量。表面 熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，使材料熔化，在兩材料連接區(qū)的部分形成溶池。溶熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，使材料熔化，在兩材料連接區(qū)的

6、部分形成溶池。溶 池隨著激光束一道向前運動，溶池中的熔融金屬并不會向前運動。池隨著激光束一道向前運動，溶池中的熔融金屬并不會向前運動。 激光熱導焊的連接形式：片狀工件的焊接形式有對焊、端焊、中心穿透熔化焊激光熱導焊的連接形式：片狀工件的焊接形式有對焊、端焊、中心穿透熔化焊 激光功率密度：激光功率密度低則熔深淺、焊接速度慢。見圖激光功率密度：激光功率密度低則熔深淺、焊接速度慢。見圖7 72020 圖圖7-20 7-20 激光熱導焊焊接不銹鋼時功率與激光熱導焊焊接不銹鋼時功率與 焊接速度、熔化深度的關(guān)系焊接速度、熔化深度的關(guān)系 6 7.2 7.2 激光焊接激光焊接 三、激光熱導焊三、激光熱導焊 2

7、 2）激光熱導焊的工藝以及部分參數(shù)）激光熱導焊的工藝以及部分參數(shù) 脈沖激光熱導焊的脈沖寬度：脈沖激光熱導焊的脈沖寬度：脈沖寬度影響到焊接熔深，熱影響區(qū)的寬度等脈沖寬度影響到焊接熔深，熱影響區(qū)的寬度等 焊接的質(zhì)量要求。脈寬時間長，焊接熔深熱影響區(qū)都大，反之則小。因此，要焊接的質(zhì)量要求。脈寬時間長，焊接熔深熱影響區(qū)都大，反之則小。因此，要 根據(jù)激光功率的大小，要求的焊接熔深和熱影響區(qū)的寬度大小來適當選擇脈沖根據(jù)激光功率的大小，要求的焊接熔深和熱影響區(qū)的寬度大小來適當選擇脈沖 寬度。寬度。 離焦量對焊接質(zhì)量的影響：離焦量對焊接質(zhì)量的影響：因為焦點處激光光斑中心的光功率密度過高，激因為焦點處激光光斑中

8、心的光功率密度過高，激 光熱導焊通常需要一定的離焦量，使得光功率分布相對均勻。光熱導焊通常需要一定的離焦量，使得光功率分布相對均勻。 正離焦：焦平面位于工件上方；負離焦：焦平面位于工件下方正離焦：焦平面位于工件上方；負離焦：焦平面位于工件下方 脈沖激光熱導焊的脈沖波形：脈沖激光熱導焊的脈沖波形：脈沖波形對于焊接質(zhì)量也有很大的影響脈沖波形對于焊接質(zhì)量也有很大的影響 7 7.2 7.2 激光焊接激光焊接 四、激光深熔焊四、激光深熔焊 1 1）激光深熔焊的原理）激光深熔焊的原理 2 2）激光深熔焊工藝參數(shù)）激光深熔焊工藝參數(shù) 3 3）激光焊接過程中的幾種效應）激光焊接過程中的幾種效應 五、激光焊的優(yōu)

9、點五、激光焊的優(yōu)點 當激光功率密度達到當激光功率密度達到10106 610107 7WWcmcm2 2時，功率輸入遠大于熱傳導、對流及輻射時，功率輸入遠大于熱傳導、對流及輻射 散熱的速率，材料表面發(fā)生汽化而形成小孔（圖散熱的速率，材料表面發(fā)生汽化而形成小孔（圖7-217-21），孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四），孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四 周液體的靜力和表面張力形成動態(tài)平衡，激光可以通過孔中直射到孔底。周液體的靜力和表面張力形成動態(tài)平衡，激光可以通過孔中直射到孔底。 臨界功率密度：臨界功率密度：深熔焊時，功率密度必須大于某深熔焊時，功率密度必須大于某 一數(shù)值，才能引起小孔效應。這一數(shù)值，稱為臨界一數(shù)值，才能引

10、起小孔效應。這一數(shù)值，稱為臨界 功率密度功率密度 圖圖7-21 7-21 深熔焊深熔焊小小孔示意圖孔示意圖 激光深熔焊的熔深激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深與激光輸出激光深熔焊熔深與激光輸出 功率密度密切相關(guān)，也是功率和光斑直徑的函數(shù)功率密度密切相關(guān)，也是功率和光斑直徑的函數(shù)。 8 7.3 7.3 激光打孔激光打孔 一、激光打孔原理一、激光打孔原理 激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤 （圖（圖7-137-13）。）。 二、激光打孔工藝參數(shù)的影響二、激光打孔工藝參數(shù)的影響 脈沖寬度對打孔的影響

11、脈沖寬度對打孔的影響 ：脈沖寬度對打孔深度、孔徑、孔形的影響較大。窄脈沖寬度對打孔深度、孔徑、孔形的影響較大。窄 脈沖能夠得到較深而且較大的孔；寬脈沖不僅使孔深度、孔徑變小，而且使孔脈沖能夠得到較深而且較大的孔；寬脈沖不僅使孔深度、孔徑變小，而且使孔 的表面粗糙度變大，尺寸精度下降。的表面粗糙度變大，尺寸精度下降。 圖圖7-13 7-13 激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)示意圖激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)示意圖 9 7.3 7.3 激光打孔激光打孔 二、激光打孔工藝參數(shù)的影響二、激光打孔工藝參數(shù)的影響 激光打孔中離焦量對打孔的影響激光打孔中離焦量對打孔的影響 當激光聚焦于材料上表面時，打出的孔比較深，錐度較小。在

12、焦點處于表面下某一當激光聚焦于材料上表面時，打出的孔比較深，錐度較小。在焦點處于表面下某一 位置時相同條件下打出的孔最深；而過分的入焦和離焦都會使得激光功率密度大大位置時相同條件下打出的孔最深；而過分的入焦和離焦都會使得激光功率密度大大 降低，以至打成盲孔（圖降低，以至打成盲孔（圖7-157-15）。）。 圖圖7-15 7-15 離焦量對打孔質(zhì)量的影響離焦量對打孔質(zhì)量的影響 10 7.3 7.3 激光打孔激光打孔 二、激光打孔工藝參數(shù)的影響二、激光打孔工藝參數(shù)的影響 被加工材料對打孔的影響被加工材料對打孔的影響 脈沖激光的重復頻率對打孔的影響脈沖激光的重復頻率對打孔的影響 用調(diào)用調(diào)QQ方法取得

13、巨脈沖時，脈沖的平均功率基本不變，脈寬也不變，重復頻率越高方法取得巨脈沖時，脈沖的平均功率基本不變，脈寬也不變，重復頻率越高 ，脈沖的峰值功率越小，單脈沖的能量也越小。這樣打出的孔深度要減小。，脈沖的峰值功率越小，單脈沖的能量也越小。這樣打出的孔深度要減小。 材料對激光的吸收率直接影響到打孔的效率。由于不同材料對不同激光波長有不同材料對激光的吸收率直接影響到打孔的效率。由于不同材料對不同激光波長有不同 的吸收率，必須根據(jù)所加工的材料性質(zhì)選擇激光器。的吸收率，必須根據(jù)所加工的材料性質(zhì)選擇激光器。 11 7.4 7.4 激光切割激光切割 一、激光切割的原理與特點一、激光切割的原理與特點 1 1、切

14、割過程中激光光束聚焦成很小的光點（最小直徑可小于切割過程中激光光束聚焦成很小的光點（最小直徑可小于0.1mm0.1mm）使焦點處）使焦點處 達到很高功率密度（可超過達到很高功率密度（可超過10106 6W/cmW/cm2 2）。）。如圖如圖7-177-17所示為激光切割頭的結(jié)構(gòu)，所示為激光切割頭的結(jié)構(gòu)， 除了透鏡以外它還有一個噴出輔助氣體流的同軸噴嘴除了透鏡以外它還有一個噴出輔助氣體流的同軸噴嘴。 2 2、激光切割的特點：、激光切割的特點： 圖圖7-17 7-17 激光切割頭的結(jié)構(gòu)示意圖激光切割頭的結(jié)構(gòu)示意圖 12 7.4 7.4 激光切割激光切割 二、激光切割分類及其機理二、激光切割分類及其

15、機理 激光功率激光功率: : 激光切割時所需功率的大小，是由材料性質(zhì)和切割機理決定的。激光切割時所需功率的大小，是由材料性質(zhì)和切割機理決定的。 三、激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律三、激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律 汽化切割汽化切割: :工件在激光作用下快速加熱至沸點，部分材料化作蒸汽逸去，部分工件在激光作用下快速加熱至沸點，部分材料化作蒸汽逸去，部分 材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機制所需激光功率密度一般為材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機制所需激光功率密度一般為10108 8 /cm/cm2 2左右，是無熔化材料的切割方式左右，是無熔化材料的切割方式 熔化切割熔化切割: : 激光將工件

16、加熱至熔化狀態(tài)，與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流激光將工件加熱至熔化狀態(tài)，與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流 將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為10107 7/cm/cm2 2左右左右 氧助熔化切割氧助熔化切割: : 金屬被激光迅速加熱至燃點以上，與氧發(fā)生劇烈的氧化反應金屬被激光迅速加熱至燃點以上，與氧發(fā)生劇烈的氧化反應 （即燃燒），放出大量的熱，又加熱下一層金屬，金屬被繼續(xù)氧化，并借助氣體（即燃燒），放出大量的熱，又加熱下一層金屬，金屬被繼續(xù)氧化，并借助氣體 壓力將氧化物從切縫中吹掉。壓力將氧化物從切縫中吹掉。 切割

17、速度切割速度: : 在一定功率條件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度對切口表在一定功率條件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度對切口表 面粗糙度也有較大影響。面粗糙度也有較大影響。 13 7.4 7.4 激光切割激光切割 噴嘴：噴嘴：噴嘴是影響激光切割質(zhì)量和效率的噴嘴是影響激光切割質(zhì)量和效率的個重要部件。激光切割一般采用個重要部件。激光切割一般采用 同軸同軸( (氣流與光軸同心氣流與光軸同心) )噴嘴，噴嘴出口直徑大小應依據(jù)板厚加以選擇。另外，噴噴嘴，噴嘴出口直徑大小應依據(jù)板厚加以選擇。另外，噴 嘴到工件表面的距離對切割質(zhì)量也有較大影響，為了保證切割過程穩(wěn)定，這個嘴到工件表面的距離對切割質(zhì)量

18、也有較大影響，為了保證切割過程穩(wěn)定，這個 距離必須保持不變。距離必須保持不變。 三、激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律三、激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律 四、工業(yè)材料的激光切割：四、工業(yè)材料的激光切割：金屬材料的激光切割和非金屬材料的激光切割金屬材料的激光切割和非金屬材料的激光切割 氣體的壓力：氣體的壓力：在功率和切割材料板厚一定時，有一最佳切割氣體流量，這時切在功率和切割材料板厚一定時，有一最佳切割氣體流量，這時切 割速度最快。隨著激光功率的增加，切割氣體的最佳流量是增大的。割速度最快。隨著激光功率的增加，切割氣體的最佳流量是增大的。 光束在質(zhì)量、透鏡焦距和離焦量：光束在質(zhì)量、透鏡焦距和離焦量：激光器輸

19、出光束的模式為基橫模時對激光切激光器輸出光束的模式為基橫模時對激光切 割最為有利。光斑大小與聚焦透鏡的焦距成正比。短焦距的透鏡雖然可以得到較割最為有利。光斑大小與聚焦透鏡的焦距成正比。短焦距的透鏡雖然可以得到較 小光斑，但焦深很小。離焦量對切割速度和切割深度影響較大，切割過程中必須小光斑，但焦深很小。離焦量對切割速度和切割深度影響較大，切割過程中必須 保持不變，一般離焦量選用負值，即焦點位置置于切割板面下面某一點。保持不變，一般離焦量選用負值，即焦點位置置于切割板面下面某一點。 14 1.光纖通信對半導體激光器光源的要求光纖通信對半導體激光器光源的要求 9.1.1 9.1.1 半導體激光器半導

20、體激光器 半導體激光器是激光器中的一個大家族。它與固體激光器、氣體激光器以及其半導體激光器是激光器中的一個大家族。它與固體激光器、氣體激光器以及其 它類型的激光器相比，具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、可以直接調(diào)制、它類型的激光器相比，具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、可以直接調(diào)制、 使用方便等優(yōu)點，因此它非常適用于光纖通信之中。圖使用方便等優(yōu)點，因此它非常適用于光纖通信之中。圖9-19-1給出了光發(fā)射端機的給出了光發(fā)射端機的 工作原理。工作原理。 2. 作為通信光源的半導體激光器作為通信光源的半導體激光器 半導體激光器是光纖通信用的主要光源，由于光纖通信系統(tǒng)具有不同的應用層半導體激光器是

21、光纖通信用的主要光源，由于光纖通信系統(tǒng)具有不同的應用層 次和結(jié)構(gòu)，因而需要不同類型的半導體激光器。次和結(jié)構(gòu)，因而需要不同類型的半導體激光器。 圖圖9-1 光發(fā)射端機組成方框圖光發(fā)射端機組成方框圖 15 9.1.1 9.1.1 半導體激光器半導體激光器 2. 作為通信光源的半導體激光器作為通信光源的半導體激光器 (1) (1) 法布里珀羅激光器法布里珀羅激光器 法布里珀羅激光器（法布里珀羅激光器（FP-LD）是最常見、最普通的半導體激光器，它的諧振）是最常見、最普通的半導體激光器，它的諧振 腔由半導體材料的兩個解理面構(gòu)成。目前光纖通信上采用的腔由半導體材料的兩個解理面構(gòu)成。目前光纖通信上采用的F

22、P-LD的制作技術(shù)的制作技術(shù) 已經(jīng)相當成熟。已經(jīng)相當成熟。FP-LD的結(jié)構(gòu)和制作工藝最簡單，成本最低，適用于調(diào)制速度的結(jié)構(gòu)和制作工藝最簡單，成本最低，適用于調(diào)制速度 小于小于622Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)。的光纖通信系統(tǒng)。 (2)(2)分布反饋半導體激光器分布反饋半導體激光器 #實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作的最有效的方法之實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作的最有效的方法之 一就是在半導體內(nèi)部建立一個布拉格光一就是在半導體內(nèi)部建立一個布拉格光 柵，依靠光柵的選頻原理來實現(xiàn)縱模選柵，依靠光柵的選頻原理來實現(xiàn)縱模選 擇。分布反饋布拉格半導體激光器擇。分布反饋布拉格半導體激光器 （DFB-LD）的特點在于光柵分布在整）的特點

23、在于光柵分布在整 個諧振腔中，光波在反饋的同時獲得增個諧振腔中，光波在反饋的同時獲得增 益，因此其單色性優(yōu)于一般的益，因此其單色性優(yōu)于一般的FP-LD。 圖圖9-2 DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 #在在DFB-LDDFB-LD制作技術(shù)的發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)直接在有源層刻蝕光柵會引入污染制作技術(shù)的發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)直接在有源層刻蝕光柵會引入污染 和損傷，于是又提出了圖和損傷，于是又提出了圖9-29-2所示的所示的DFB-LDDFB-LD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 16 9.1.1 9.1.1 半導體激光器半導體激光器 2. 作為通信光源的半導體激光器作為通信光源的半導體激光器 (3)(3)分布布拉格反射半導

24、體激光器分布布拉格反射半導體激光器 考慮到布拉格光柵反射性好的特點，將光柵置于激光器諧振腔的兩側(cè)或一側(cè)，考慮到布拉格光柵反射性好的特點，將光柵置于激光器諧振腔的兩側(cè)或一側(cè)， 增益區(qū)沒有光柵，光柵只相當于一個反射率隨波長變化的反射鏡，這樣就構(gòu)成增益區(qū)沒有光柵，光柵只相當于一個反射率隨波長變化的反射鏡，這樣就構(gòu)成 了了DBR-LDDBR-LD。其中，三電極。其中，三電極DBR-LDDBR-LD是最典型的基于是最典型的基于DBR-LDDBR-LD的單模波長可調(diào)諧半導的單模波長可調(diào)諧半導 體激光器，其原理性結(jié)構(gòu)如圖體激光器，其原理性結(jié)構(gòu)如圖9-39-3。 圖圖9-3 三電極三電極DBR-LDDBR-L

25、D結(jié)構(gòu)示意結(jié)構(gòu)示意 圖圖 17 9.1.1 9.1.1 半導體激光器半導體激光器 2. 作為通信光源的半導體激光器作為通信光源的半導體激光器 (4)(4)垂直腔面發(fā)射激光器垂直腔面發(fā)射激光器 光數(shù)據(jù)傳輸和交換的多通道往往需要能夠二維集成的器件，而垂直腔面發(fā)射激光數(shù)據(jù)傳輸和交換的多通道往往需要能夠二維集成的器件，而垂直腔面發(fā)射激 光器（光器（VCSELVCSEL）是一個很好的選擇。它與邊發(fā)射激光器最大的不同點是：出射光）是一個很好的選擇。它與邊發(fā)射激光器最大的不同點是：出射光 垂直于器件的外延表面，即平行于外延生長的方向。圖垂直于器件的外延表面，即平行于外延生長的方向。圖9-49-4為其典型結(jié)構(gòu)

26、圖，其為其典型結(jié)構(gòu)圖，其 上下分別為分布布拉格反射（上下分別為分布布拉格反射（DBRDBR）介質(zhì)反射鏡，中間（）介質(zhì)反射鏡，中間（InGaAsNInGaAsN）為量子阱有）為量子阱有 源區(qū)，氧化層有助于形成良好的電流及光場限制結(jié)構(gòu)，電流由源區(qū)，氧化層有助于形成良好的電流及光場限制結(jié)構(gòu)，電流由P P、N N電極注入，電極注入， 光由箭頭方向發(fā)出。光由箭頭方向發(fā)出。 圖圖9-4 VCSEL的典型結(jié)構(gòu)示意圖的典型結(jié)構(gòu)示意圖 18 9.1.2 9.1.2 光纖激光器光纖激光器 1. 光纖激光器的基本原理及其特點光纖激光器的基本原理及其特點 (1)(1)基本原理基本原理 光纖激光器和其他激光器一樣，由能

27、產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光子得到反饋并在光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光子得到反饋并在 增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學諧振腔和激勵光子躍遷的泵浦源三部分組成。增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學諧振腔和激勵光子躍遷的泵浦源三部分組成。 圖圖9-5 光纖激光器原理示意圖光纖激光器原理示意圖 以以縱向泵浦的光纖激光器縱向泵浦的光纖激光器（如圖如圖9-59-5）為例說明光纖激光器的基本原理）為例說明光纖激光器的基本原理 (2)(2)特點特點 耦合效率高基于激光介質(zhì)本身就是導波介質(zhì)；光纖纖芯很細，纖內(nèi)易形成高功率耦合效率高基于激光介質(zhì)本身就是導波介質(zhì)；光纖纖芯很細，纖內(nèi)易形成高功率 密度，

28、可方便地與光纖傳輸系統(tǒng)高效連接。由于光纖具有很高的密度，可方便地與光纖傳輸系統(tǒng)高效連接。由于光纖具有很高的“表面積表面積/ /體積體積” 比，散熱效果好，因此光纖激光器具有很高的轉(zhuǎn)換效率，很低的激光閾值，能在比，散熱效果好，因此光纖激光器具有很高的轉(zhuǎn)換效率，很低的激光閾值，能在 不加強制冷卻的情況下連續(xù)工作。又由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可以設(shè)不加強制冷卻的情況下連續(xù)工作。又由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可以設(shè) 計得相當小巧靈活，利于光纖通信系統(tǒng)的應用，同時可借助光纖方向耦合器構(gòu)成計得相當小巧靈活，利于光纖通信系統(tǒng)的應用，同時可借助光纖方向耦合器構(gòu)成 各種柔性諧振腔，使激光器的結(jié)構(gòu)更加緊

29、湊、穩(wěn)定。光纖還具有相當多的可調(diào)諧各種柔性諧振腔，使激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊、穩(wěn)定。光纖還具有相當多的可調(diào)諧 參數(shù)和選擇性，能獲得相當寬的調(diào)諧范圍和相當好的色散性和穩(wěn)定性。參數(shù)和選擇性，能獲得相當寬的調(diào)諧范圍和相當好的色散性和穩(wěn)定性。 19 9.1.2 9.1.2 光纖激光器光纖激光器 2.光纖激光器的分類及應用光纖激光器的分類及應用 (1)(1)稀土類摻雜光纖激光器稀土類摻雜光纖激光器 光纖激光器種類很多，光纖激光器種類很多，如如按光纖結(jié)構(gòu)可分為：單包層光纖激光器和雙包層光纖激光按光纖結(jié)構(gòu)可分為：單包層光纖激光器和雙包層光纖激光 器；按摻雜元素可分為：摻鉺、釹、鐠、銩、鐿、鈥等器；按摻雜元素可分

30、為：摻鉺、釹、鐠、銩、鐿、鈥等1515種；種； 圖圖9-6 受激拉曼散射光纖激光器示意圖受激拉曼散射光纖激光器示意圖 稀土元素包括稀土元素包括1515種元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比較成熟的有源光纖種元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比較成熟的有源光纖 中摻入的稀土離子有：鉺（中摻入的稀土離子有：鉺（ErEr3+ 3+）、釹 ）、釹(Nd(Nd3+ 3+) )、鐠 、鐠(Pr(Pr3+ 3+) )、銩 、銩(Tm(Tm3+ 3+) )、鐿 、鐿(Yd(Yd3+ 3+) )。 。 (2)(2)光纖受激拉曼散射激光器光纖受激拉曼散射激光器 這類激光器與摻雜光纖激光器相比具有更高的飽和

31、功率，且沒有泵浦源限制，在這類激光器與摻雜光纖激光器相比具有更高的飽和功率，且沒有泵浦源限制，在 光纖傳感、波分復用（光纖傳感、波分復用（WDMWDM）及相干光通信系統(tǒng)中有著重要應用。一種簡單的全光）及相干光通信系統(tǒng)中有著重要應用。一種簡單的全光 纖受激拉曼散射激光器見圖纖受激拉曼散射激光器見圖9-69-6所示，這是一種單向環(huán)形行波腔，耦合器的光強耦所示，這是一種單向環(huán)形行波腔，耦合器的光強耦 合系數(shù)為合系數(shù)為K K。一般典型的受激拉曼分子主要有。一般典型的受激拉曼分子主要有GeOGeO2 2、SiOSiO2 2、P P2 2O O5 5。 20 9.1.2 9.1.2 光纖激光器光纖激光器

32、2.光纖激光器的分類及應用光纖激光器的分類及應用 (3)(3)光纖光柵激光器光纖光柵激光器 圖圖9-7 DBRDBR光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖 DBRDBR光纖激光器基本結(jié)構(gòu)如圖光纖激光器基本結(jié)構(gòu)如圖9-79-7所示，利用一段稀土摻雜光纖和一對相同諧振所示，利用一段稀土摻雜光纖和一對相同諧振 波長的光纖光柵構(gòu)成諧振腔，它能實現(xiàn)單縱模工作。波長的光纖光柵構(gòu)成諧振腔，它能實現(xiàn)單縱模工作。 DFBDFB光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)如圖光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)如圖9-89-8所示，在稀土摻雜光纖上直接寫入的光柵所示，在稀土摻雜光纖上直接寫入的光柵 構(gòu)成諧振腔，其有源區(qū)和反饋區(qū)同為

33、一體。構(gòu)成諧振腔，其有源區(qū)和反饋區(qū)同為一體。 圖圖9-8 DFB光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)示意光纖光柵激光器基本結(jié)構(gòu)示意 圖圖 21 9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器 1.光放大器是放大光信號的器件，它在光纖通信領(lǐng)域中的主要功能有光放大器是放大光信號的器件，它在光纖通信領(lǐng)域中的主要功能有 圖圖9-9 光放大器在干線光纖通信系統(tǒng)中的應用示意圖光放大器在干線光纖通信系統(tǒng)中的應用示意圖 2.圖圖9-99-9為光放大器在干線光纖系統(tǒng)中的應用示意圖。圖中（為光放大器在干線光纖系統(tǒng)中的應用示意圖。圖中（a a）為無中繼系統(tǒng)，）為無中繼系統(tǒng)， 圖（圖（b b）中采用光放大器作功率放大器和接收機前置放大器

34、圖（）中采用光放大器作功率放大器和接收機前置放大器圖（c c）為線內(nèi)多中）為線內(nèi)多中 繼系統(tǒng)繼系統(tǒng)。圖（圖（d d）中用光放大器作為在線中繼放大器或）中用光放大器作為在線中繼放大器或1R1R（僅有整形功能）中繼（僅有整形功能）中繼 器器 （1）光功率提升放大。將光放大器置于光發(fā)射機前端，以提高入纖的光功率。光功率提升放大。將光放大器置于光發(fā)射機前端，以提高入纖的光功率。 （2）在線中繼放大。在光纖通信系統(tǒng)中取代現(xiàn)有的中繼器。在線中繼放大。在光纖通信系統(tǒng)中取代現(xiàn)有的中繼器。 （3）前置放大。在接收端的光電檢測器之前先將微弱的光信號進行預放，以提前置放大。在接收端的光電檢測器之前先將微弱的光信號進

35、行預放，以提 高接收的靈敏度。高接收的靈敏度。 22 9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器 3.光纖通信中主要的光放大器有以下幾類：光纖通信中主要的光放大器有以下幾類： （1）、半導體激光放大器（、半導體激光放大器（SLA）；）； （2）、摻稀土光纖放大器，如摻鉺光纖放大器、摻稀土光纖放大器，如摻鉺光纖放大器(EDFA)等；等； （3）、非線性光纖放大器，如光纖喇曼放大器等、非線性光纖放大器，如光纖喇曼放大器等 圖圖9-10 TWSLA 的基本結(jié)構(gòu)示意圖的基本結(jié)構(gòu)示意圖 （1 1）半導體光放大器半導體光放大器 圖圖9-10為行波型光放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，為行波型光放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，行波光放大器的帶寬比法布里行波光放大器的帶寬比法布里 珀羅型放大器大三個數(shù)量級，其珀羅型放大器大三個數(shù)量級，其3dB帶寬可達帶寬可達10THz，因此可放大多