连续光纤激光器

1960年美国休斯实验室著名发明家梅曼(T.H.Maiman)和兰姆(Lamb)等人成功的研制了发明了世界第一台可操作的红宝石激光器。1961年贝尔实验室(Bell)贾文(A.Javan)等人制成了第一台氦氛激光器。1962年霍耳(R.N.Hall)等人创制了GaAs半导体激光器后,半导体激光器已广泛地应用到通信、光盘存储、检测等领域中。而在1961年E.Snitzer首次通过试验在掺稀土元素谐振腔(Fabry-Perot腔)中利用棒状掺锁](Nd3 )玻璃波导获得了波长1.06nm的激光,即国际上报道公认的第一台掺Nd3 光纤激光器。而1962年H.W.Etzel等人已经制作出了第一台以镱离子(Yb3 )作为工作物质的光纤激光器(YDFLfa],但是开始并没有吸引人们太多的注意力。1964年C.J.Koester和E.Snitzer利用盘绕的线性灯管栗浦,在Im长的光纤中观察到了激光脉冲被放大了 50000倍。光纤激光器不久以后便被应用于光学信息处理方面的工作,但是由于当时的光纤传输损耗太大(>1000dB/km)根本无法实现长距离传输和通信、作为粟浦源的半导体激光器无法在室温下连续工作等条件限制,光纤激光器的研究相对缓慢,没有实质性的进展。

1966年享有“光纤之父”称号的高锟(K.C. Kao)和霍克哈姆(GA. Hockham)首先从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性,并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性,彻底改变了人类的通讯模式。1970年美国的马瑞尔(R.D.Maurer)、卡普隆(F.RKapron)等科学家用改进型化学相沉积法(MCVD法)成功地制造出世界第一根传输损耗只有20dB/km(低损耗)的石英光纤,攻克了人类长久以来所面临的光纤无法实现长距离传输的技术难关。1974年,马瑞尔进一步提出了双包层光纤的概念。同年,美国贝尔(Bell)研究所采用最新发明技术-汽相沉积法(CVD法)制作出传输损耗降低只有l.ldB/km的低损耗光纤。而此时的J.Stone和C. A. Burrus则采用半导体注入型激光器终端栗浦方式成功地研制出能够在室温下连续工作的擦Nd3 光纤激光器,对以后的光纤激光器实用性研究具有重要意义。

1975年-1984年期间,光纤激光器的发展缓慢,但光纤激光器所必需的制作工艺关键技术却日趋成熟,为研制全光纤激光器铺平了道路。1985年,英国南安普顿大学(Southampton)的S.B.Poole等人采用MCVD方法首次把稀土辑离子掺入到单模桂光纤成功地制作了的低损耗单模掺铒光纤,为光纤激光器带来了新的前景。同时,RJ.Mears等人第一次报道了采用GaAlAs半导体激光器为栗浦源和低损耗光纤组成了 F-P腔和环形腔的惨Nd3 连续单模光纤激光器1987年,Southampton大学及Bell实验室采用半导体激光作为泉浦源栗入掺辑(Er3 )单模光纤对光信号实现放大,从实验上证明了惨辑光纤放大器(EDFA)的可行性,此后的EDFA已经成为光纤通信中不可缺少的重要器件。Southampton大学J.E.Townsend与S.B.Poole科研组等人进一步完善了各种惨稀土离子光纤的制作工艺与此同时,英国通信研究实验室(BTRL)首次向人们展示了基于定向称合器的光纤激光器,并研制出以半导体激光器为菜浦源的光纤激光器。此后,世界许多研究机构,如德国汉堡技术大学美国斯坦福大学、Bell实验室及日本NTT等也在光纤激光器与放大器领域做出了重要贡献。

1988年,美国E.Snitzer等人首次利用双包层光纤提出了包层栗浦技术,发明了掺Nd3 双包层光纤激光器,显著提高了掺杂光纤的吸收效率,从理论上证明了掺Nd3 双包层光纤的吸收效率可以达到>90%,大大改善了光纤激光器的功率与效率,改变了光纤激光器只能作为小功率光子器件的历史,使得高功率光纤激光器和高功率光纤放大器的制作成为现实及首选途径。掺Nd3 双包层光纤激光器从此成为包层泉浦光纤激光器发展初期的研究热点,同时掀开了研究光纤激光器的热潮和迎来了高功率光纤激光器的迅速发展时期。1993年,H.PO等人研制出了高功率掺Nd3 双包层光纤激光器,该光纤激光器输出斜率效率51%,波长1064mn和功率接近5W的单模连续激光。1995年,德国H.Zellmer等人研制了输出波长为1064nm功率9.2W掺Nd3 双包层光纤激光器。

与传统的气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器相比,光纤激光器具有掺杂稀土离子能级丰富、掺杂稀土离子能级宽、掺杂稀土离子种类多样化、光纤制造成本低、光纤结构小巧便于操作、光纤几何形状的表面积/体积比大、称合效率较高、易于与光纤传输系统连接、光纤焚光谱范围宽(455-3500nm)、入射栗浦光相位匹配无严格要求、散热快、损耗低、转换效率较高、栗浦闽值功率低、激光亮度高和激光功率峰值高、输出光束质量好、单色性好、方向性稳定、波长可调谐、容易实现单模、单频运转及超短脉冲等优势。

在连续光纤激光器方面，随着光子晶体光纤技术的出现，使光纤技术具有了新的特性和优势，实现了可制备大模场面积的单模纤芯光纤、高的内包层数值孔径、无限单模等特性，从而使光纤激光器取得了飞快的进展。自从1999年光纤激光器的功率达到100 W以来，光纤激光器的输出功率得到迅速提高，德国Jena大学、英国南安普敦大学、美国密西根大学等先后实现了高功率的激光输出，到2004年，单模连续激光的输出功率突破1 000 W 。2005年，德国Jena大学研究人员用掺镱双包层结构的光子晶体光纤实现了1 530W的功率输出，光光转换效率达75%。

南安普顿大学在利用棒状双包层掺镱光子晶体光纤，实现了功率320 W的连续激光输出（斜率效率78%）。2009年底，南安普敦大学采用975 nm半导体激光器进行双端泵浦，用波长1.1 μm高反射的二向色镜和另一光纤端面的菲涅耳反射为谐振腔，增益双包层掺镱光纤参数为纤芯直径50 μm，纤芯NA 为0.06，镱离子掺杂浓度3 700 ppm，光纤在波长976 nm的吸收系数为1 dB/m，光纤长20 m，光纤被弯曲成25 cm 直径的圆形。当两端的泵浦功率分别为2.2kW和1.2 W时，获得了激光的波长为1 090 nm、功率2.1 kW的连续激光输出，其光束质量M2=1.2、斜率效率达74%。

2010年已经能够提供单纤单模输出功率10 kW，多模输出功率50 kW的产品，其中单模激光的电光转换效率超过25%，光束质量M2=1.3。在其他波长方面，利用铒镱共掺的光纤介质，实现了数百瓦的激光输出，利用掺铥的光纤介质，获得了1 000W的功率输出。2011年，研制出激光输出功率达50kW的多模光纤激光器。

连续光纤激光器窄线宽光纤激光器

窄线宽光纤激光器在光纤传感和光通信中有着重要的应用。例如，相位敏感型光时域反射计，光学陀螺，相干光通信等。这些系统基于光的干涉特性，因此对激光器的线宽要求很高，通常是几十赫兹甚至更低。实现窄线宽光纤激光器的方法多种多样。下面简要介绍两种常用的方法。一种是利用超短腔实现单纵模光纤激光器。铒纤的增益带宽有限，当激光器的纵模间隔大于或者接近铒纤的增益带宽时，激光器只能实现单纵模运转，对应的就是窄线宽光纤激光器。另一种方法是基于光纤中的非线性效应，例如布里渊光纤激光器。布里渊窄线宽光纤激光器，由于腔长很短，所以激光腔内只有两个纵模可以实现振荡，进而实现窄线宽输出。

连续光纤激光器多波长光纤激光器

多波长光纤激光器是指可以产生多个波长的光纤激光器。多波长光纤激光器的应用也很广泛，例如密集波分波分复用系统（DWDM）。DWDM 的核心器件是多波长光源，以前是使用不同波长的激光器来实现，这样的系统不仅结构复杂，成本也很高。多波长光纤激光器可以大大地简化系统，因为同一台激光器就可以产生多个波长信号。铒纤是均匀加宽介质，因此掺铒光纤激光器一般只可以产生一种波长。实现多波长输出的关键是通过某些措施使得激光器内的增益是非均匀加宽的。这些措施包括液氮冷却，非线性光纤环形镜等。

常见的多波长光纤激光器光路，采用非线性偏振旋转技术来产生激光器内的非均匀加宽机制。再通过双折射光纤构成的滤波器来实现多波长输出。 产生了梳状结构，且波长的间隔可以通过调节滤波器的带宽进行调节。通过改变腔内保偏光纤的长度可以调节滤波器的带宽。

光纤激光器以光纤为增益介质，输出激光的光束质量主要由光纤的纤芯直径和数值孔径决定，由于光纤极大的表面积与体积比值，因此很容易对其在高功率输出时的热效应进行有效地管理。同时，正由于光纤激光器中光纤极大的表面积与体积比值，散热性能也非常好，因此几乎不存在热透镜效应。因此，与传统的固体激光器相比，光纤激光器在高功率输出时可达到接近衍射极限的高光束质量。在电光转换效率方面，光纤激光器的电光转换效率可以高达28%，远高于半导体泵浦的YAG激光器15%的电光转换效率及CO2激光器10%的电光转换效率，也高于碟片机用激光器的20%的电光转换效率。光纤激光器的器件结构简单，体积小巧，使用灵活方便。双包层光纤激光器由于采用柔软的掺杂光纤本身作为激光介质，泵浦源也是采用体积小巧易于模块化的高功率半导体激光器，因此稳定性好，体积小，使用灵活方便。

光纤激光器还具有波长可调谐、高可靠性、免于维护、尾纤输出和使用寿命长等优点，是一种新型的优质激光光源，已引起人们的广泛关注[3]，已经形成的光纤激光器产品类型包括：连续激光、脉冲激光、单偏振激光、单频激光、超短脉冲激光和白光超连续光源等。其应用覆盖材料处理、医疗、印刷、雷达、通信、激光切割、精密加工、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接、工业造船、大型基础建设、航空航天、军事国防安全等多个领域，市场需求也越来越大。据统计，2010年光纤激光器已约占据整个激光器市场的25%，年销售额近7亿美元。如此庞大的市场需求，光纤激光器的研究已成激光器领域的研究热点。 解读词条背后的知识

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调 Q 光纤激光器由于具有光束质量好、亮度高、效率高、波长可选、易于集成等优点，近年来在许多领域引起了人们的广泛关注。如工业、通信、医学、军事等领域。

调Q光纤激光器工业领域

工业加工领域使用的光纤激光器主要有连续和脉冲两种类型。连续光纤激光器可以提供高达千瓦级的平均功率，常用于具有一定厚度的陶瓷、金属等材料的均匀切割和焊接等，但其主要缺点是激光的靶面密度较低，加工粗糙。而脉冲型光纤激光器可以获得高重复频率、高峰值功率的脉冲，与连续光纤激光器相比，调 Q 脉冲光纤激光器具有许多独特的优势：1、热畸变小，毛刺少，边缘光滑，可以避免微裂纹及碎屑产生；2、峰值功率高，脉宽小，可以提高加工精度和加工质量，实现微细加工；3、使金属深度加工成为可能，且可以实现可视性较好的打标等。

调Q光纤激光器光通信领域

20 世纪 60 年代，随着微波技术的成熟，具有更高频率的光波通信技术的发展成为必然。光波分复用(OWDM)、光时分复用(OTDM)等技术的出现使光纤通信得到迅速发展。特别地，掺铒光纤放大器(EDFA)以及一些光无源器件的实用化使密集波分复用(DWDM)成为了可能，大大增加了传输容量，实现了高功率、长距离传输。 微波和电缆通信的载波是电波，相比之下，光波的频率较高，比较适合作宽带信号的载频，而对于传输介质，光纤比电缆的损耗要低得多。因此，以光波为载波的光纤通信具有许多独特的优点：

1、频带宽，传输容量大。理论上单根单模光纤的可利用带宽可达 20THz，而在一根光缆中可以容纳成百上千的光纤，再加上波分复用(WDM)、频分复用(FDM)等技术，可以大大增加光纤传输系统的容量。

2、损耗低，中继距离长。铜缆的损耗特性不仅与本身结构参数有关，还与传输信号的频率有关；而光缆的损耗特性仅与本身介质参数有关。因此，提高光缆的制作工艺可以大大降低损耗，增大中继距离。目前 1550nm 通信波长的光纤损耗最低，为 0.2dB/km。

3、具有抗电磁干扰能力。光导纤维是由SiO₂ 材料制成，它是一种绝缘材料，不受任何电磁场的干扰。即使在雷电天气甚至是核辐射的环境中，也可以实现正常的信号传输。

4、安全，重量轻。由于玻璃材料不易导电，安装时较安全，且与金属电缆材料相比，重量轻，便于安装。

5、通信质量高，保密性好。

6、节约有色金属。