激光器的應(yīng)用——光纖激光器

1、 光電子論文 *學(xué)院 *專業(yè) *班 *號(hào) *激光器的應(yīng)用光纖激光器 近幾年，光纖激光器因其具有優(yōu)異的光束質(zhì)量、非常高的功率和功率密度、易于冷卻、高的穩(wěn)定性和可靠性等多方面的優(yōu)點(diǎn)引起了研究人員和應(yīng)用者日益濃厚的興趣，已經(jīng)在和將在通信、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域大展身手，并在多種應(yīng)用場(chǎng)合取代目前常用的氣體和固體激光器。光纖激光產(chǎn)品的出現(xiàn)以及性能的不斷改善， 必將加快激光在各種領(lǐng)域的應(yīng)用，從而提高工業(yè)生產(chǎn)水平和人們的生活質(zhì)量。在光纖纖芯中摻入稀土離子，泵浦光通過(guò)光纖時(shí)，纖芯中的稀土離子吸收泵浦光，躍遷到激光上能級(jí)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)后的粒子在 自發(fā)輻射光子或者特別注入的光子誘導(dǎo)下以受激輻射躍遷到激光下能級(jí)，

2、同時(shí)發(fā)射出與誘導(dǎo)光子相同的光子，這樣的過(guò)程雪崩般發(fā)生，于是發(fā)射出激光。這就是光纖激光器的根本原理。選擇在中摻稀土離子構(gòu)成光纖激光器，局部原因就是稀土離子的吸收范圍正好與半導(dǎo)體激光器的輻射圍重合，因而能方便地采用本錢低廉的、工藝成熟的半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源。光纖激光器的根本結(jié)構(gòu) 由增益介質(zhì)，諧振腔與泵浦源組成。增益介質(zhì)為摻有稀土離子的光纖芯，摻雜光纖放置在兩個(gè)反射率經(jīng)過(guò)選擇的腔鏡之間，泵浦光從光纖激光器的左邊腔鏡耦合進(jìn)入光纖，經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和濾波到輸出激光。從理論上來(lái)說(shuō)，只有泵浦源和增益較多光纖是構(gòu)成光纖激光器的必須組件，而諧振腔并非必不可缺的組件。諧振腔的選模和增加增益介質(zhì)長(zhǎng)度的作用在光纖激

3、光器中是可以不用的, 因長(zhǎng)光纖本身可以非常長(zhǎng)，從而獲得很高的單程增益 ,而光纖的波導(dǎo)效應(yīng)又可以起到選模的作用。但實(shí)際應(yīng)用中人們一般希望使用較短光纖，所以多數(shù)情況下采用諧振腔，以引入反應(yīng)。光纖激光器種類繁多，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分成假設(shè)干種類。按輸出光波組成分類：?jiǎn)尾ㄩL(zhǎng)光纖激光器和多波長(zhǎng)光纖激光器；按輸出光波模式分類：?jiǎn)文９饫w激光器和多模光纖激光器；按輸出光波波段分類：S波段12801350nm、C波段15281565nm和L波段15611620nm；按光纖街面結(jié)構(gòu)分類：?jiǎn)伟鼘印⒍喟鼘雍凸庾泳w光纖激光器；按諧振腔結(jié)構(gòu)分類：FP腔、WDM諧振腔、光纖光柵諧振腔等；按工作機(jī)制分類：上轉(zhuǎn)換光纖激光器和

4、下轉(zhuǎn)換光纖激光器；按工作方式分類：脈沖激光器和連續(xù)激光器；按增益介質(zhì)分類：稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應(yīng)光纖激光器、單晶體光纖激光器和塑料光纖激光器。所謂光纖激光器就是用光纖作激光介質(zhì)的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是光纖激光器。由于光纖的纖芯很細(xì)，一般的泵浦源例如氣體放電燈很難聚焦到芯部。所以在以后的二十余年中光纖激光器沒(méi)有得到很好的開(kāi)展。隨著半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)的開(kāi)展，以及光纖通信蓬勃開(kāi)展的需要，1987年英國(guó)南安普頓大學(xué)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)證明了摻鉺光纖放大器EDFA的可行性。它采用半導(dǎo)體激光光泵摻鉺單模光纖對(duì)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)放大，現(xiàn)在這種EDFA已經(jīng)成為光纖通信中不可缺少的重要器

5、件。由于要將半導(dǎo)體激光泵浦入單模光纖的纖芯一般直徑小于10um，要求半導(dǎo)體激光也必須為單模的，這使得單模EDFA難以實(shí)現(xiàn)高功率，報(bào)道的最高功率也就幾百毫瓦。 為了提高功率，1988年左右有人提出光泵由包層進(jìn)入。初期的設(shè)計(jì)是圓形的內(nèi)包層，但由于圓形內(nèi)包層完美的對(duì)稱性，使得泵浦吸收效率不高，直到九十年代初矩形內(nèi)包層的出現(xiàn)，使激光轉(zhuǎn)換效率提高到50%，輸出功率到達(dá)5瓦。1999年用四個(gè)45瓦的半導(dǎo)體激光器從兩端泵浦，獲得了110瓦的單模連續(xù)激光輸出。近兩年，隨著高功率半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)和雙包層光纖制作工藝的開(kāi)展，光纖激光器的輸出功率逐步提高，目前采用單根光纖，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1000瓦的激光輸出。 近期，

6、隨著光纖通訊系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和開(kāi)展，超快速光電子學(xué)、非線性光學(xué)、光傳感等各種領(lǐng)域應(yīng)用的研究已得到日益重視。其中，以光纖作基質(zhì)的光纖激光器，在降低閾值、振蕩波長(zhǎng)范圍、波長(zhǎng)可調(diào)諧性能等方面，已明顯取得進(jìn)步，是目前光通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，它可以用于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，使之支持更高的傳輸速度，是未來(lái)高碼率密集波分復(fù)用系統(tǒng)和未來(lái)相干光通信的根底。目前光纖激光器技術(shù)是研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。 光纖激光器由于其具有絕對(duì)理想的光束質(zhì)量、超高的轉(zhuǎn)換效率、完全免維護(hù)、高穩(wěn)定性以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的激光行業(yè)產(chǎn)生巨大而積極的影響。最新市場(chǎng)調(diào)查顯示：光纖激光器供給商將爭(zhēng)奪固體激光器及其他激光器在假設(shè)干關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)份額，而

7、這些市場(chǎng)份額在未來(lái)幾年將穩(wěn)步看漲。到2021年，光纖激光器將至少占領(lǐng)工業(yè)激光器28億美元市場(chǎng)份額的四分之一。光纖激光器的銷售量將以年增幅愈35%的速度攀升，從2005年的1.4億美元增至2021年的6.8億美元。而同期，工業(yè)激光器市場(chǎng)每年增幅僅9%，2021年到達(dá)28億美元。光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有以下優(yōu)勢(shì)： 1玻璃光纖制造本錢低、技術(shù)成熟及其光纖的可饒性所帶來(lái)的小型化、集約化優(yōu)勢(shì)； 2玻璃光纖對(duì)入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴(yán)格的相位匹配，這是由于玻璃基質(zhì)Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故； 3玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以轉(zhuǎn)換效率較高，激

8、光閾值低； 4輸出激光波長(zhǎng)多：這是因?yàn)橄⊥岭x子能級(jí)非常豐富及其稀土離子種類之多； 5可調(diào)諧性：由于稀土離子能級(jí)寬和玻璃光纖的熒光譜較寬； 6由于光纖激光器的諧振腔內(nèi)無(wú)光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)激光器無(wú)法比較的； 7光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應(yīng)用，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單；8勝任惡劣的工作環(huán)境，對(duì)灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度； 9不需熱電制冷和水冷，只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷； 10高的電光效率：綜合電光效率高達(dá)20%以上，大幅度節(jié)約工作時(shí)的耗電，節(jié)約運(yùn)行本錢； 11高功率,目前商用化的光纖激光器是六千瓦。文檔收集自網(wǎng)絡(luò)，僅用于個(gè)人學(xué)習(xí)

9、 光纖激光器的應(yīng)用：1脈沖光纖激光器以其優(yōu)良的光束質(zhì)量，可靠性，最長(zhǎng)的免維護(hù)時(shí)間，最高的整體電光轉(zhuǎn)換效率，脈沖重復(fù)頻率，最小的體積，無(wú)須水冷的最簡(jiǎn)單、最靈活的使用方式，最低的運(yùn)行費(fèi)用使其成為在高速、高精度激光標(biāo)刻方面的唯一選擇。 一套光纖激光打標(biāo)系統(tǒng)可以由一個(gè)或兩個(gè)功率為25W的光纖激光器，一個(gè)或兩個(gè)用來(lái)導(dǎo)光到工件上的掃描頭以及一臺(tái)控制掃描頭的工業(yè)電腦組成。這種設(shè)計(jì)比用一個(gè)50W激光器分束到兩個(gè)掃描頭上的方式高出達(dá)4倍以上的效率。該系統(tǒng)最大打標(biāo)范圍是175mm*295mm，光斑大小是35um，在全標(biāo)刻范圍內(nèi)絕對(duì)定位精度是+/-100um。100um工作距離時(shí)的聚焦光斑可小到15um。 2光纖激

10、光器的材料處理是基于材料吸收激光能量的部位被加熱的熱處理過(guò)程。1um左右波長(zhǎng)的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收。 3光纖激光成型或折曲是一種用于改變金屬板或硬陶瓷曲率的技術(shù)。集中加熱和快速自冷切導(dǎo)致在激光加熱區(qū)域的可塑性變形，永久性改變目標(biāo)工件的曲率。研究發(fā)現(xiàn)用激光處理的微彎曲遠(yuǎn)比其他方式具有更高的精密度，同時(shí)，這在微電子制造是一個(gè)很理想的方法。 4隨著光纖激光器的功率不斷攀升，光纖激光器在工業(yè)切割方面得以被規(guī)模化應(yīng)用。比方：用快速斬波的連續(xù)光纖激光器微切割不銹鋼動(dòng)脈管。由于它的高光束質(zhì)量，光纖激光器可以獲得非常小的聚焦直徑和由此帶來(lái)的小切縫寬度正在刷新醫(yī)療器件工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。 資料個(gè)人收

11、集整理，勿做商業(yè)用途由于其波段涵蓋了1.3m和1.5m兩個(gè)主要通信窗口，因此光纖激光器在光通信領(lǐng)域擁有不可替代的地位，大功率雙包層光纖激光器的研制成功使其在激光加工領(lǐng)域的市場(chǎng)需求也呈迅速擴(kuò)展的趨勢(shì)。光纖激光器在激光加工領(lǐng)域的范圍和所需性能具體如下：軟焊和燒結(jié)：50500W；聚合物和復(fù)合材料切割：200W1kW；去激活：300W1kW；快速印刷和打?。?0W1kW；金屬淬火和涂敷：220kW；玻璃和硅切割：500 W2kW。此外，隨著紫外光纖光柵寫入和包層泵浦技術(shù)的開(kāi)展，輸出波段在紫光、藍(lán)光、綠光、紅光及近紅外光的波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換光纖激光器已可以作為實(shí)用的全固化光源而廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，彩色顯示，醫(yī)學(xué)熒光診斷。遠(yuǎn)紅