光纖激光器__陳嘉懿

1、主講人：陳嘉懿光纖激光器目錄l光纖激光器l光纖激光器的發(fā)展歷史l光纖激光器的原理l光纖激光器的類型l光纖激光器的優(yōu)勢l光纖激光器的應用l我國光纖激光器目前的研究進展光纖激光器 光纖激光器：用摻稀土元素玻璃光纖作光纖激光器：用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器。為增益介質的激光器。 光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內極易形成發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度，造成激光工作物質的激光能級高功率密度，造成激光工作物質的激光能級“粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉”，當適當加入正反饋回路，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光

2、振蕩輸出。（構成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器發(fā)展歷史 早期：主要集中研究短脈沖的輸出和可調諧早期：主要集中研究短脈沖的輸出和可調諧波長范圍的擴展方面。波長范圍的擴展方面。 今天，密集波分復用今天，密集波分復用(DWDM)技術；光時分技術；光時分復用技術；多波長光纖激光器技術刺激著多波長復用技術；多波長光纖激光器技術刺激著多波長光纖激光器技術和超連續(xù)光纖激光器等的進步，光纖激光器技術和超連續(xù)光纖激光器等的進步，為低成本地實現(xiàn)為低成本地實現(xiàn)Tb/s的的DWDM或或OTDM傳輸提供傳輸提供理想的解決方案。理想的解決方案。目前：國內外主要集中在高功率光纖激光器、目前：國內外主要集中在高功率

3、光纖激光器、高功率光子晶體光纖激光器、窄線寬可調諧光纖高功率光子晶體光纖激光器、窄線寬可調諧光纖激光器、多波長光纖激光器、非線性效應光纖激激光器、多波長光纖激光器、非線性效應光纖激光器和超短脈沖光纖激光器等幾個方面光器和超短脈沖光纖激光器等幾個方面 。光纖激光器的原理 光纖激光器和其他激光器一樣，由能產生光子的增益介質、光纖激光器和其他激光器一樣，由能產生光子的增益介質、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和激勵光子躍遷的泵浦源三部分組成。和激勵光子躍遷的泵浦源三部分組成。 基本原理基本原理 泵浦光摻雜光纖腔鏡腔鏡輸出激光光纖

4、激光器結構示意圖光纖激光器結構示意圖光纖激光器的類型 光纖激光器種類很多，光纖激光器種類很多，如如按光纖結構可分為：單包層光纖按光纖結構可分為：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、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、鈥等鐠、銩、鐿、鈥等1515種；種； (1)(1)稀土類摻雜光纖激光器稀土類摻雜光纖激光器 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（前在比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有：鉺（ErEr3+3+）、）、釹釹(Nd(N

5、d3+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功率，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（且沒有泵浦源限制，在光纖傳感、波分復用（WDMWDM）及相干光）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下圖所示，這是一種單向環(huán)形行波腔，耦合器的光激光器見下圖所示，這是一種單向環(huán)形行波腔，耦合器的光

6、強耦合系數(shù)為強耦合系數(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。 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 (3)(3)光纖光柵激光器光纖光柵激光器 DBR DBR光纖激光器基本結構如下圖所示，利用一段稀土摻光纖激光器基本結構如下圖所示，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成諧振腔，它能實雜光纖和一對相同諧振波長的光纖光柵構成諧振腔，它能實現(xiàn)單縱模工作?，F(xiàn)單縱模工作。 DBRDBR光纖光柵激光器基本結構示意圖光纖光柵激光器基本結構示意圖 (3)(3)光纖光柵激光器光纖光柵激

7、光器 DFB DFB光纖光柵激光器基本結構如下圖所示，在稀土摻雜光纖光柵激光器基本結構如下圖所示，在稀土摻雜光纖上直接寫入的光柵構成諧振腔，其有源區(qū)和反饋區(qū)同為光纖上直接寫入的光柵構成諧振腔，其有源區(qū)和反饋區(qū)同為一體。一體。 DFB光纖光柵激光器基本結構示意圖光纖光柵激光器基本結構示意圖 光纖激光器的優(yōu)勢 光纖激光器作為第三代激光技術的代表，光纖激光器作為第三代激光技術的代表，具有以下優(yōu)勢：具有以下優(yōu)勢： （1）玻璃光纖制造成本低、技術成熟）玻璃光纖制造成本低、技術成熟及其光纖的可饒性；及其光纖的可饒性； （2）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配

8、；晶體那樣的嚴格的相位匹配； （3）玻璃材料具有極低的體積面積比，）玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低；散熱快、損耗低； （4）輸出激光波長多；）輸出激光波長多； （5）可調諧性；）可調諧性； （6 6）免調節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性；）免調節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性； （7 7）光纖導出，使得激光器能輕易勝）光纖導出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應用，使機械系統(tǒng)任各種多維任意空間加工應用，使機械系統(tǒng)的設計變得非常簡單；的設計變得非常簡單； （8 8）勝任惡劣的工作環(huán)境；）勝任惡劣的工作環(huán)境； （9 9）不需熱電制冷和水冷；）不需熱電制冷和水冷； （1010）高的電光效率：綜合電光效

9、率高）高的電光效率：綜合電光效率高達達20%20%以上；以上； （1111）高功率）高功率, ,目前商用化的光纖激光目前商用化的光纖激光器是六千瓦；器是六千瓦； 光纖激光器的應用激光打標激光打標 包括半導體芯片包括半導體芯片/晶元片晶元片/集成電路集成電路/電子器件，電子器件，醫(yī)療器件，手機醫(yī)療器件，手機/計算機鍵盤，儀器面板計算機鍵盤，儀器面板/按鍵，按鍵，服裝鈕扣，香煙服裝鈕扣，香煙/食品包裝等。食品包裝等。CO2和和YAG激光器：激光器：體積大；高功耗；短體積大；高功耗；短壽命；高維護費用；壽命；高維護費用；使用不方便。使用不方便。摻鐿光纖激光器：體積??；低功耗；長壽命摻鐿光纖激光器：體

10、積?。坏凸模婚L壽命 ；低成本，免維護；光束質量好，工作面處功率低成本，免維護；光束質量好，工作面處功率密度高；光纖傳輸?shù)焦ぷ髅?，使用方便。密度高；光纖傳輸?shù)焦ぷ髅妫褂梅奖?。在線打標在線打標激光雕刻激光雕刻精密電子元器件精密電子元器件 激光雕刻激光雕刻高功率材料加工心臟支架的切割及其應用心臟支架的切割及其應用大功率光纖激光器大功率光纖激光器我國光纖激光器目前的研究進展 國內有眾多的高校和研究所在進行摻鐿雙包層光纖激光國內有眾多的高校和研究所在進行摻鐿雙包層光纖激光器的研究工作器的研究工作 （1）上海光機所在得到百瓦功率之后，又獲得了）上海光機所在得到百瓦功率之后，又獲得了200W的輸出功率，

11、光的輸出功率，光-光轉換效率接近光轉換效率接近70%，在該項目，在該項目的研究中，已經申請了十幾項專利技術。的研究中，已經申請了十幾項專利技術。（2）南開大學在研制出短脈沖光纖激光器的同時，大）南開大學在研制出短脈沖光纖激光器的同時，大膽創(chuàng)新，率先研制出了雙包層光纖光柵，為雙包層光纖膽創(chuàng)新，率先研制出了雙包層光纖光柵，為雙包層光纖激光器的全光纖化研究，邁出了重要的一步。激光器的全光纖化研究，邁出了重要的一步。 （3）武漢烽火通信成功推出了完全達到商用水平的雙包層）武漢烽火通信成功推出了完全達到商用水平的雙包層摻鐿光纖產品。據(jù)悉，通過上海光機所試用，其斜率效率摻鐿光纖產品。據(jù)悉，通過上海光機所試

12、用，其斜率效率達到達到66以上，在選用合適的光纖長度和泵浦功率的條件以上，在選用合適的光纖長度和泵浦功率的條件下，可實現(xiàn)下，可實現(xiàn)100W以上的激光功率輸出，達到國際先進水平。以上的激光功率輸出，達到國際先進水平。（4）上海光機所在大芯徑單模光子晶體光纖研制中獲新進）上海光機所在大芯徑單模光子晶體光纖研制中獲新進展，成功地拉制出芯徑達展，成功地拉制出芯徑達40m的單模光子晶體光纖。深圳的單模光子晶體光纖。深圳大學也成功研制出了大學也成功研制出了15W 光子晶體光纖激光器光子晶體光纖激光器 。展望 光纖激光器的優(yōu)良性能，決定了它比半導體激光器光纖激光器的優(yōu)良性能，決定了它比半導體激光器和大型激光器擁有更多的優(yōu)勢，和大型激光器擁有更多的優(yōu)勢， 其應用范圍越來越廣闊，其應用范圍越來越廣闊，為滿足快速增長的巨大的市場需求，美國、西歐、日本為滿足快速增長的巨大的市場需求，美國、西歐、日本和我國都已紛紛加大了光纖激光器的研發(fā)力度。和我國都已紛紛加大了光纖激光器的研發(fā)力度。 光纖激光器不僅在光纖通信領域占有越來越重要的光纖激光器不僅在光纖通信領域占有越