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1、光纤激光器及其应用第1页，本讲稿共17页主要内容主要内容1光纤激光器的简介光纤激光器的简介光纤激光器的分类光纤激光器的分类3光纤激光器优点光纤激光器优点4光纤激光器的原理光纤激光器的原理 2光纤激光器的应用和展望光纤激光器的应用和展望52第2页，本讲稿共17页定义定义光纤激光器是指用掺稀土元素光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质功率密度，造成激光工作物质的激光能级的激光能级
2、“粒子数反转粒子数反转”，当适当加入正反馈回路，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。光振荡输出。简介简介13第3页，本讲稿共17页发展历史发展历史早在早在20 20 世纪世纪60 60 年代初年代初,美国光学公司的美国光学公司的E1 Snitzer E1 Snitzer 等人就已经等人就已经提出了掺稀土元素光纤激光器和放大器的构想提出了掺稀土元素光纤激光器和放大器的构想 ,但直到但直到20 20 世纪世纪80 80 年代年代,随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层结构光纤的提随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层结构光纤的提出出 ,光纤激光器才进入了一个
3、蓬勃发展的阶段。光纤激光器才进入了一个蓬勃发展的阶段。早期：主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的早期：主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的 扩展方扩展方面。面。目前：主要集中在高功率光纤激光器、高功率光子晶体光纤激目前：主要集中在高功率光纤激光器、高功率光子晶体光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器、多波长光纤激光器、非线性光器、窄线宽可调谐光纤激光器、多波长光纤激光器、非线性效应光纤激光器和超短脉冲光纤激光器等几个方面效应光纤激光器和超短脉冲光纤激光器等几个方面 。4第4页，本讲稿共17页 光纤激光器的原理光纤激光器的原理 光光纤纤激激光光器器和和其其他他激激光光器器一一样样，由
4、由能能产产生生光光子子的的增增益益介介质质、使使光光子子得得到到反反馈馈并并在在增增益益介介质质中中进进行行谐谐振振放放大大的的光光学学谐谐振振腔腔和和激激励励光光子跃迁的泵浦源三部分组成。子跃迁的泵浦源三部分组成。基本原理基本原理 泵浦光掺杂光纤腔镜腔镜输出激光光纤激光器结构示意图光纤激光器结构示意图25第5页，本讲稿共17页光纤激光器的分类光纤激光器的分类 按谐振腔结构分类：按谐振腔结构分类：F-P F-P 腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”8”字形腔字形腔DBR DBR 光纤激光器、光纤激光器、DFB DFB 光纤激光器光纤激光器按光纤结构分类
5、：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器按光纤结构分类：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器按增益介质分类：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、按增益介质分类：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器单晶光纤激光器按掺杂元素分类：掺铒（按掺杂元素分类：掺铒（Er3+Er3+）、钕（）、钕（Nd3+Nd3+）、镨（）、镨（Pr3+Pr3+）、铥）、铥（Tm3+Tm3+）镱（）镱（Yb3+Yb3+）、钬（）、钬（Ho3+Ho3+）按输出波长分类：按输出波长分类：S-S-波段（波段（12801350nm12801350nm）、）、C-C-波段波段（15281565nm152815
6、65nm）L-L-波段（波段（15611620nm15611620nm）按输出激光分类：脉冲激光器、连续激光器按输出激光分类：脉冲激光器、连续激光器 36第6页，本讲稿共17页几种典型的光纤激光器的介绍几种典型的光纤激光器的介绍 这这类类激激光光器器与与掺掺杂杂光光纤纤激激光光器器相相比比具具有有更更高高的的饱饱和和功功率率，且且没没有有泵泵浦浦源源限限制制，在在光光纤纤传传感感、波波分分复复用用（WDMWDM）及及相相干干光光通通信信系系统统中中有有着着重重要要应应用用。一一种种简简单单的的全全光光纤纤受受激激拉拉曼曼散散射射激激光光器器见见下下图图所所示示，这这是是一一种种单单向向环环形形
7、行行波波腔腔，耦耦合合器器的的光光强强耦耦合合系系数数为为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。(1)(1)光纤受激拉曼散射激光器光纤受激拉曼散射激光器 受激拉曼散射光纤激光器示意图受激拉曼散射光纤激光器示意图 7第7页，本讲稿共17页(2)(2)光纤光栅激光器光纤光栅激光器 DBRDBR光光纤纤激激光光器器基基本本结结构构如如下下图图所所示示，利利用用一一段段稀稀土土掺掺杂杂光光纤纤和和一对相同谐振波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。一对相同谐振波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作
8、。DBRDBR光纤光栅激光器基本结构示意图光纤光栅激光器基本结构示意图 8第8页，本讲稿共17页(3)(3)光纤光栅激光器光纤光栅激光器 DFBDFB光光纤纤光光栅栅激激光光器器基基本本结结构构如如下下图图所所示示，在在稀稀土土掺掺杂杂光光纤上直接写入的光栅构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。纤上直接写入的光栅构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。DFB光纤光栅激光器基本结构示意图光纤光栅激光器基本结构示意图 9第9页，本讲稿共17页光纤激光器的优点光纤激光器的优点光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势：光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势：（1 1）玻璃光纤制造成本低
9、、技术成熟及其光纤的可饶）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势；性所带来的小型化、集约化优势；（2 2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质匹配，这是由于玻璃基质Stark Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；带较宽的缘故；（3 3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以上转换效率较高，激光阈值低；所以上转换效率较高，激光阈值低；（4 4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能
10、级非常丰富）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多；及其稀土离子种类之多；（5 5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。谱较宽。4410第10页，本讲稿共17页（6 6）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。（7 7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。
11、加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。（8 8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。温度具有很高的容忍度。（9 9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。（1010）高的电光效率：综合电光效率高达）高的电光效率：综合电光效率高达20%20%以上，大幅度以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。节约工作时的耗电，节约运行成本。（1111）高功率）高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦。目前商用化的光纤激光器是六千瓦。11第11页，本讲稿共17页 光纤激光器的应用和展望光纤激光器
12、的应用和展望1 1标刻应用标刻应用 脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的免维脉冲光纤激光器以其优良的光束质量，可靠性，最长的免维护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，护时间，最高的整体电光转换效率，脉冲重复频率，最小的体积，无须水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运行费用使其成无须水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运行费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。一套光纤激光打标系统可以由一个或两个功率为一套光纤激光打标系统可以由一个或两个功率为25W25W的光纤激的光纤激光器，一个或两个用来导光到工件上的扫描头
13、以及一台控制扫描光器，一个或两个用来导光到工件上的扫描头以及一台控制扫描头的工业电脑组成。这种设计比用一个头的工业电脑组成。这种设计比用一个50W50W激光器分束到两个扫激光器分束到两个扫描头上的方式高出达描头上的方式高出达4 4倍以上的效率。该系统最大打标范围是倍以上的效率。该系统最大打标范围是175mm*295mm175mm*295mm，光斑大小是，光斑大小是35um35um，在全标刻范围内绝对定位精，在全标刻范围内绝对定位精度是度是+/-100um+/-100um。100um100um工作距离时的聚焦光斑可小到工作距离时的聚焦光斑可小到15um15um。512第12页，本讲稿共17页2
14、2材料处理的应用材料处理的应用 光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的部位光纤激光器的材料处理是基于材料吸收激光能量的部位被加热的热处理过程。被加热的热处理过程。1um1um左右波长的激光光能很容易被金属、左右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸收。塑料及陶瓷材料吸收。3 3 材料弯曲的应用材料弯曲的应用 光纤激光成型或折曲是一种用于改变金属板或硬陶瓷曲率的技术。光纤激光成型或折曲是一种用于改变金属板或硬陶瓷曲率的技术。集中加热和快速自冷切导致在激光加热区域的可塑性变形，永久性改集中加热和快速自冷切导致在激光加热区域的可塑性变形，永久性改变目标工件的曲率。研究发现用激光处理的微弯
15、曲远比其他方式具有变目标工件的曲率。研究发现用激光处理的微弯曲远比其他方式具有更高的精密度，同时，这在微电子制造是一个很理想的方法。更高的精密度，同时，这在微电子制造是一个很理想的方法。13第13页，本讲稿共17页4 4激光切割的应用激光切割的应用 随着光纤激光器的功率不断攀升，光纤激光器在工业切割随着光纤激光器的功率不断攀升，光纤激光器在工业切割方面得以被规模化应用。比如：用快速斩波的连续光纤激光器方面得以被规模化应用。比如：用快速斩波的连续光纤激光器微切割不锈钢动脉管。由于它的高光束质量，光纤激光器可以微切割不锈钢动脉管。由于它的高光束质量，光纤激光器可以获得非常小的聚焦直径和由此带来的小
16、切缝宽度正在刷新医疗获得非常小的聚焦直径和由此带来的小切缝宽度正在刷新医疗器件工业的标准器件工业的标准。14第14页，本讲稿共17页此外，随着紫外光纤光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在紫此外，随着紫外光纤光栅写入和包层泵浦技术的发展，输出波段在紫光、蓝光、绿光、红光及近红外光的波长上转换光纤激光器已可以作光、蓝光、绿光、红光及近红外光的波长上转换光纤激光器已可以作为实用的全固化光源而广泛应用于数据存储，彩色显示，医学荧光诊为实用的全固化光源而广泛应用于数据存储，彩色显示，医学荧光诊断。远红外波长输出的光纤激光器由于其结构灵巧紧凑，能量和波长断。远红外波长输出的光纤激光器由于其结构灵巧紧凑
17、，能量和波长可调谐等优点，也在激光医疗和生物工程等领域得到应用。可调谐等优点，也在激光医疗和生物工程等领域得到应用。15第15页，本讲稿共17页展望展望 光纤激光器的优良性能，决定了它比半导体激光器和大型光纤激光器的优良性能，决定了它比半导体激光器和大型激光器拥有更多的优势，激光器拥有更多的优势，其应用范围越来越广阔，为满足快其应用范围越来越广阔，为满足快速增长的巨大的市场需求，美国、西欧、日本和我国都已纷纷速增长的巨大的市场需求，美国、西欧、日本和我国都已纷纷加大了光纤激光器的研发力度。加大了光纤激光器的研发力度。光纤激光器不仅在光纤通信领域占有越来越重要的地位，还光纤激光器不仅在光纤通信领域占有越来越重要的地位，还在激光技术领域成为目前研究最为活跃的激光光源之一。在激光技术领域成为目前研究最为活跃的激光光源之一。它已它已经引起激光科技人员和企业工程技术人员的极大关注，展现出了经引起激光科技人员和企业工程技术人员的极大关注，展现出了一个美好的应用前景。它有非常广阔的潜在市场，正在形成一个一个美好的应用前景。它有非常广阔的潜在市场，正在形成一个新型高新技术产业。新型高新技术产业。16第16页，本讲稿共17页17第17页，本讲稿共17页